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科技日報記者 金鳳 通訊員 ?周偉
二維層狀異質(zhì)結(jié)是一種類似千層蛋糕那樣一層一層堆疊起來的新型材料結(jié)構(gòu)，由于光響應(yīng)靈敏、信號可塑性可調(diào)節(jié)、功耗低等特性，它被認(rèn)為是構(gòu)筑人工神經(jīng)形態(tài)視覺傳感（比如仿生眼）最有前途的材料之一。近日，南京工業(yè)大學(xué)柔性電子（未來技術(shù)）學(xué)院劉舉慶教授、李銀祥副教授課題組，創(chuàng)造了一種基于氣液界面共自組裝策略構(gòu)筑大尺寸二維碳基異質(zhì)結(jié)的普適性方法，獲得了系列勻質(zhì)厘米級異質(zhì)結(jié)雙層薄膜。這一工作為實(shí)現(xiàn)上述仿生應(yīng)用提供了材料和技術(shù)上的支持，成果日前發(fā)表在世界頂級期刊《自然?通訊》上。
異質(zhì)結(jié)的共自組裝過程及形貌，課題組供圖
“所謂氣液界面共自組裝策略，形象地理解就是，水面上先后滴加了兩種溶液，這兩種物質(zhì)會在水和空氣的二維界面各自進(jìn)行自組裝成膜——一個一個小分子均勻排列成二維膜，兩種膜同時又通過之間的范德華作用力形成層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該策略具有普適性，所形成的異質(zhì)結(jié)面積較大，可達(dá)厘米大小；異質(zhì)結(jié)長得也很均勻，整個膜的質(zhì)量、厚度都是差不多的。” 李銀祥副教授介紹，范德華作用力類似于一種吸引力，讓兩者可以堆疊在一起。
“通俗地說，異質(zhì)結(jié)的每一層物質(zhì)光吸收的范圍的疊加，才使它具有寬范圍的光吸收。因?yàn)槊總€物質(zhì)的能帶之間不是重合的，有差值；并且因?yàn)槿毕輵B(tài)對于電荷的俘獲和釋放的這個過程，才讓這個異質(zhì)結(jié)對光信號有了記憶可塑性。” 論文共同第一作者、南京工業(yè)大學(xué)博士生董雪梅解釋說，記憶可塑性是指不同的記憶程度，遺忘的時間也不一樣，“一幅畫看一遍和看十遍的效果也是不一樣的，后者記憶得會更深，遺忘得會更慢。”
目前，人工智能視覺系統(tǒng)一般是通過機(jī)器視覺與深度學(xué)習(xí)智能算法的結(jié)合實(shí)現(xiàn)，需要利用傳感器、存儲器以及處理器三個部分來完成。董雪梅介紹，相比之下，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的這類異質(zhì)結(jié)器件，極大簡化了器件的復(fù)雜度，它像人類視覺系統(tǒng)一樣，將光信號的感知、存儲與處理集于一身，這就降低了信息在不同器件之間傳遞導(dǎo)致的時間延遲和能耗。
研究團(tuán)隊(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，該異質(zhì)結(jié)器件能耗僅為10-9W，能夠感知從紫外光、可見光到近紅外光這個寬范圍內(nèi)的光照刺激響應(yīng)，同時在暗環(huán)境中能夠探測到非常微弱的光信號。除了具有較強(qiáng)的光感知能力之外，該器件和人類大腦中兩個神經(jīng)元之間的突觸結(jié)構(gòu)一樣，還能夠同時對探測到的光信號進(jìn)行記憶和處理。214%雙脈沖易化指數(shù)說明該器件對所探測到的光信號具有非常高的記憶能力。采用光信號對器件的突觸權(quán)重進(jìn)行調(diào)控，基于這種異質(zhì)結(jié)的類腦光電突觸還可以實(shí)現(xiàn)視覺學(xué)習(xí)和識別的神經(jīng)形態(tài)網(wǎng)絡(luò)，以及高效的時間信息解碼。
董雪梅表示，這一類器件的制備將對未來人工智能技術(shù)，包括自動駕駛、無人機(jī)視覺導(dǎo)航、工業(yè)檢測及視頻信息的實(shí)時解析等應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。課題組的這項(xiàng)工作不僅為碳基光電異質(zhì)結(jié)的高質(zhì)量構(gòu)筑提供了一種有效通用策略，也為碳基神經(jīng)形態(tài)電子的開發(fā)提供了有益借鑒。
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