據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，蘇州大學(xué)張曉宏教授和揭建勝教授團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了一種基于全印刷技術(shù)的低功耗光突觸有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)光電晶體管陣列（英文縮寫為FSP-OFET），并演示了該陣列在仿人眼視覺(jué)領(lǐng)域的應(yīng)用。該陣列將器件功耗降低到生物突觸的水平，并在低功耗下實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)生物突觸的功能，比如短期可塑性（STP）和長(zhǎng)期記憶增強(qiáng)（LTP）等，從而推動(dòng)了低功耗仿生人眼視覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)展。

與傳統(tǒng)的光電晶體管不同，光突觸晶體管的特點(diǎn)體現(xiàn)在其對(duì)入射光具有光電響應(yīng)的同時(shí)，還具備仿生“突觸”的行為上。光突觸晶體管的半導(dǎo)材料選用的是Dif-TES-ADT，一種在可見(jiàn)光波段具有高靈敏響應(yīng)，且空氣穩(wěn)定的p型有機(jī)小分子半導(dǎo)體材料。以往的工作表明，溶液法制備的Dif-TES-ADT晶體中存在著大量的電荷陷阱，光照時(shí)晶體管中的電荷進(jìn)行分離，大量的電子被陷阱捕獲，從而導(dǎo)致了器件電導(dǎo)狀態(tài)的上升；光照結(jié)束后被捕獲的電子被逐漸釋放，電導(dǎo)狀態(tài)也隨之緩慢恢復(fù)（圖1）。這種載流子捕獲與釋放的過(guò)程與生物突觸中的記憶和遺忘的行為非常類似，成為光突觸行為的來(lái)源。

圖1 光突觸晶體管示意圖及實(shí)現(xiàn)突觸功能的電荷捕獲與釋放過(guò)程

為了充分發(fā)揮有機(jī)材料可溶液法處理的優(yōu)勢(shì)，研究者們提供了一種結(jié)合噴墨打印技術(shù)和刮涂印刷的全印刷器件制備工藝-使用定點(diǎn)噴墨打印完成電極的構(gòu)筑，并使用刮涂印刷絕緣材料。在完成了底部電極陣列的構(gòu)筑后，再通過(guò)刮涂法一步印刷半導(dǎo)體材料，最終得到了柔性大面積的光突觸晶體管陣列（圖2）。

圖2 全印刷制備光突觸晶體管陣列

與傳統(tǒng)的源漏電極為歐姆接觸的場(chǎng)效應(yīng)光電晶體管不同，研究者采用了肖特基接觸的源漏電極來(lái)構(gòu)筑有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)光電晶體管，以此達(dá)到器件低電流和低電壓操作的目的。隨著肖特基結(jié)構(gòu)的引入，晶體管的操作電壓與關(guān)態(tài)下電流大幅降低，最終實(shí)現(xiàn)了超低的工作能耗，且超低的暗電流也有效提升了器件光電響應(yīng)靈敏度。在STP行為中每個(gè)光照事件最低功耗可以達(dá)到0.07 fJ，該數(shù)值比之前報(bào)道的光突觸器件降低了四個(gè)數(shù)量級(jí)以上，達(dá)到甚至低于人腦中突觸的功耗水平（1-100 fJ）(圖3)。

圖3 單個(gè)光突觸晶體管的性能及在不同光照條件下的能耗表現(xiàn)

除了在單個(gè)器件上實(shí)現(xiàn)低功耗和高的光電響應(yīng)靈敏度，研究者還展示了利用陣列化的器件實(shí)現(xiàn)了仿生視覺(jué)和圖像學(xué)習(xí)等功能。研究者采集了多次光照下每個(gè)像素點(diǎn)電流的變化情況，隨著光照次數(shù)的增多，更強(qiáng)的光電流導(dǎo)致了更高的圖像對(duì)比度，這個(gè)過(guò)程與人眼重復(fù)看同一事物，慢慢記住物體的過(guò)程相類似。再結(jié)合計(jì)算機(jī)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNNs）對(duì)物體的識(shí)別，可以觀察到隨著光照次數(shù)的增加，CNNs對(duì)于圖像的識(shí)別能力也在提升（圖4），充分證明了全印刷的光突觸晶體管陣列在仿生視覺(jué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

圖4 仿生視覺(jué)和圖像增強(qiáng)功能演示

該工作最大的意義在于克服了傳統(tǒng)有機(jī)光突觸器件高功耗的障礙，且全印刷的制備工藝可以實(shí)現(xiàn)大面積柔性器件的集成，從而讓仿生視覺(jué)設(shè)備離實(shí)際應(yīng)用又更進(jìn)了一步。

審核編輯 ：李倩