石墨炔(GDY)由于其獨特的結構和優(yōu)異的性能，正成為一種具有廣闊應用前景的材料。然而，GDY在電子學和光電子學中的應用仍處于初級階段，主要是由于用于可擴展應用的大面積、均勻的GDY薄膜的合成面臨巨大的挑戰(zhàn)。本文提出了一種改進的范德華外延方法，直接在石墨烯(Gr)表面合成均勻度高、厚度可控的晶片級GDY薄膜，為構建大規(guī)模GDY/Gr-基光電突觸陣列提供了理想的平臺。實現(xiàn)了基本的突觸行為，線性和對稱的電導率更新特性促使圖像識別的神經(jīng)形態(tài)計算具有較高的準確性和較強的容錯性。包括“NAND”和“NOR”在內的邏輯函數(shù)集成到突觸中，可以通過光路執(zhí)行。此外，構建了可視化信息感知-記憶-處理系統(tǒng)，實現(xiàn)實時圖像采集、原位圖像記憶和識別任務，避免了傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)中因數(shù)據(jù)轉換和傳輸而造成的時間延遲和能量消耗。這些結果突出了GDY在神經(jīng)形態(tài)計算和人工視覺系統(tǒng)應用中的潛力。
圖1. 晶片級GDY/Gr異質結構表征。SiO
2/Si基底上晶片級GDY/Gr異質結構的(a)照片和(b) OM圖像。比例尺:50 μm。(c) GDY/Gr薄膜的SEM圖像。比例尺:30 μm。(d)由單層石墨烯和三層GDY組成的厚度約為1.36 nm的GDY/Gr薄膜的AFM圖像。比例尺:1 μm。(e) GDY/Gr薄膜的SAED圖。(f) GDY域的HRTEM圖像。比例尺:10nm。(g) SiO
2/Si基底上GDY/Gr(粉色)和原始石墨烯薄膜(綠色)的拉曼光譜。(h) C 1s的高分辨率XPS圖像。
圖2. GDY/Gr-基突觸晶體管的光電特性。(a)GDY/ Gr-基晶體管及其OM圖像的示意圖。在石墨烯和SiO
2/Si基底之間嵌入OTMS層。“S”和“D”代表源極和漏極。該器件的寬度為50 μm，長度為10 μm。比例尺:20 μm。(b)在SiO
2/Si晶片上的14x15 GDY/ Gr-基晶體管陣列照片。(c) V
bg從-70 V掃至70 V再回到-70 V時的器件傳遞曲線。(d)器件在不同功率光輻射(450 nm)下的傳輸特性。(e)狄拉克點(ΔV，紅色)的水平位移和相應的響應度(R，藍色)作為有效照明功率的函數(shù)。在0.01 V的偏置電壓下測量通道電流。
圖3. GDY/Gr-基光電突觸的突觸可塑性。(a)生物突觸示意圖(左)和GDY/Gr光電突觸簡化電路示意圖(右)。(b)分別為V
bg (20 V, 100 ms)和光脈沖(450 nm, 35 mW·cm
-2, 100 ms)觸發(fā)器件的EPSC和IPSC。(c)分別在電刺激和光刺激下器件的電荷捕獲/去捕獲過程和PPC效應的機制。(d)分別為由間隔200 ms的配對V
bg (15 V, 20 ms)和光脈沖(450 nm, 20 mW·cm
-2, 20 ms)觸發(fā)EPSC和IPCS。(e)分別為配對電脈沖(紅色)和光脈沖(藍色)觸發(fā)的器件PPF-Δt曲線。(f) EPSC(紅色)和IPSC(藍色)分別為電/光脈沖數(shù)的函數(shù)。(g)不同頻率時20個連續(xù)電/光脈沖觸發(fā)的頻率相關的EPSC(紅色)和IPSC(藍色)曲線。(h)味覺厭惡學習的實驗。分別用V
bg峰(15 V, 20 ms, 1 Hz)和光學峰(450 nm, 20 mW·cm
-2, 20 ms, 1 Hz)模擬飲酒和服用依米丁。在V
ds = 0.01 V時測量通道電流。
圖4. GDY/Gr-基突觸參數(shù)的神經(jīng)形態(tài)計算模擬。(a)用于神經(jīng)形態(tài)計算的權重更新中設備的LTP/LTD特性。100個連續(xù)增強的V
bg峰(10 V, 10 ms)之后是100個連續(xù)減弱的光學峰(450 nm, 13 mW·cm
-2, 10 ms)。(b)器件到器件的非線性分布(β
P和β
D)和最低/最高電導狀態(tài)(G
min和G
max)。(b)中的統(tǒng)計分析來自200個設備的權重更新特性。(c)用于識別像素為28x28的手寫數(shù)字的CNN示意圖。(d) 測試圖像的噪聲比從0到90%。(e) 無噪聲像素為28 × 28的手寫數(shù)字圖像的識別精度隨訓練周期的變化。(f)網(wǎng)絡對不同噪聲比時手寫數(shù)字的識別精度。(g)經(jīng)過40個訓練周期后，識別精度與噪聲像素比例(0-90%)的關系。
圖5. 用于GDY/Gr突觸晶體管的二進制光輸入驅動邏輯函數(shù)。(a)一個GDY/Gr突觸晶體管獲得的軸突多突觸網(wǎng)絡示意圖。(b)和(c)分別利用R+G和B+UV組合的二進制光輸入實現(xiàn)“NAND”和“NOR”邏輯運算。
圖6. 基于GDY/Gr突觸陣列的圖像識別視覺信息感知-記憶-處理系統(tǒng)。(a)用于圖像傳感、記憶和處理的人類視覺系統(tǒng)示意圖。(b)GDY/Gr突觸陣列7x6面板的SEM圖像。比例尺分別為300 μm和25 μm。(c)和(d)參考圖像“G”分別與未知圖像1(“D”)和2(“G”)的區(qū)別。給出了7x6突觸陣列在三種不同狀態(tài)下的電導。將100個間隔為50 ms的連續(xù)光脈沖(10 mW·cm
-2, 10 ms)施加到相應的器件上輸入圖像。測量使用的柵電壓為20 V，漏極電壓為0.01 V。
相關研究成果由天津理工大學材料科學與工程學院、新能源材料與低碳技術研究院、“材料微結構”教育部國際合作聯(lián)合實驗室Zhi-Cheng Zhang等人于2021年發(fā)表在Nano Research(https://doi.org/10.1007/s12274-021-3381-4)上。原文：Synthesis of wafer-scale graphdiyne/graphene heterostructure for scalable neuromorphic computing and artificial visual systems。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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