中科院化學所《自然·通訊》：新型視覺自適應晶體管，推動可穿戴神經形態光電子學發展

在當今快速演進的人機交互智能時代，仿生可穿戴和植入式設備對個性化反饋和自適應能力的需求日益迫切。然而，現有的仿生視覺設備往往缺乏尺度模量可變形光敏材料，且為實現光學神經功能集成而存在復雜的冗余制造工藝，在機械應變下常出現性能嚴重退化的問題，凸顯了在實現延展性和多功能性方面存在的關鍵挑戰。有機材料憑借其優異的生物相容性、機械順應性和可調諧光電特性，成為解決這些難題的理想候選。近日，一項發表于《自然·通訊》的研究成果，通過創新的多維相分離誘導微網結構，成功開發出全有機本征可拉伸神經形態視覺自適應晶體管，為實現類膚神經形態視覺系統提供了革命性技術方案。

中國科學院化學研究所郭云龍研究員、趙志遠副研究員課題組提出了一種基于多維相分離誘導微網的缺陷可調粘彈性光敏體異質結，用于構建全有機本征可拉伸神經形態視覺自適應晶體管。該器件在100%雙軸機械應變下仍能保持高光敏性和多模態寬波長光自適應能力。尤為突出的是，該全有機本征可拉伸視覺自適應晶體管實現了創紀錄的0.4秒超快自適應時間，并達到88.4%的高節能比。此外，還實現了低至44.37%的雙脈沖抑制指數，展現了減少異常放電和恢復正常神經網絡功能的能力。這種卓越的仿生視覺自適應系統能夠處理精細的時變智能信息轉換，可實現高度誤導性的加密無線光通信，并成功構建了對比視覺自適應像素，用于極端環境下的高級駕駛輔助系統模擬。相關論文以“Intrinsically stretchable all-polymer neuromorphic visual adaptive transistors based on multidimensional-phase-separation-induced micromesh”為題，發表在

Nature Communications

研究人員通過利用給體聚合物DPP-DTT、受體聚合物N2200和高極性彈性體聚氨酯（PU）構建了全聚合物體異質結。由于不相等的表面能和熱力學作用，范德華力促使了獨特的多維相分離誘導微網結構的形成。原子力顯微鏡和掃描電鏡表征顯示，隨著PU的加入，復合聚合物薄膜呈現出孤立的微球域分散在聚合物纖維網絡中，形成直徑約0.8微米、深度15納米的孔洞。這種微網結構在三維空間中多維分布，不僅為薄膜提供了充足的應力耗散位點以保持優異彈性，還為光電神經形態應用提供了多級可調缺陷態。通過掃描近場光學顯微鏡進一步確認了各組分分布：PU主要集中在孤立孔洞區域并在周圍表面形成薄覆蓋層，而DPP-DTT/N2200則主要分布在連續區域。開爾文探針力顯微鏡測試表明，與原始薄膜相比，混合薄膜在光照后因缺陷態捕獲光生空穴而導致表面電位明顯下降，證實了缺陷態的可調性。二維掠入射廣角X射線散射結果顯示，MPSM薄膜的結晶度和取向性降低，表明其引入了豐富的本征缺陷態。

圖1. 具有多維相分離誘導微網結構的全聚合物光敏體異質結。 a 用于異質結的給體-受體聚合物和極性彈性體的結構式。 b 人眼的視覺適應機制與高級駕駛輔助系統模擬。 c 應變不敏感體異質結中雜化趨勢的示意圖。 d-g 純給體-受體聚合物異質結薄膜（上）與含極性彈性體的雜化異質結薄膜（下）的形貌對比。 d 原子力顯微鏡三維視圖。 e 原子力顯微鏡表面形貌圖。 f 原子力顯微鏡底面形貌圖。 g 掃描電子顯微鏡截面形貌圖。

圖2. MPSM薄膜的獨特性和普適性。 a 不同極性彈性體雜化（按極性降序排列）的形貌、薄膜性質與光學功能之間的典型關系。 b 不同給體-受體半導體下的光敏性和薄膜性質（粗糙度用RMS值表示）。 c 溫度對MPSM薄膜光敏性和孔洞率的影響。 d 彈性體比例對粘附性能的影響。 e 在1546 cm?1波長下，用于給體-受體聚合物分布分析的掃描近場光學顯微鏡表征。 f 在1125 cm?1波長下，用于彈性體分布分析的掃描近場光學顯微鏡表征。 g 孔洞率與缺陷態密度之間的相關性。 h 純給體-受體異質結與雜化MPSM異質結之間的電勢變化。 i 純給體-受體異質結的掠入射廣角X射線散射圖像。 j 雜化MPSM異質結的掠入射廣角X射線散射圖像。 k 不同彈性體比例下的面內信息分析。 l 不同彈性體比例下的面外信息分析。

基于MPSM粘彈性光敏異質結，研究團隊制備了底柵頂接觸構型的全有機本征可拉伸神經形態視覺自適應晶體管。該器件在近紅外光照下表現出高達10?的光暗電流比、優異的光強調制能力和運行穩定性。由于引入的缺陷態，器件展現出獨特的光電流衰減行為，并隨光強變化產生多樣化的行為模式，這與視覺適應過程相關。研究發現，自適應時間與微網孔洞率呈強負相關，隨著PU含量從30%增至70%，平均孔徑從0.18微米增至0.80微米，自適應時間從30.4秒銳減至0.4秒。與普通光探測器相比，該器件實現了88.4%的節能比。通過定義光電流衰減至40%的時間為自適應時間，研究團隊系統評估了器件在不同光強、柵壓和波長下的自適應行為，結果表明光強、柵壓和波長均可有效調控自適應速率和幅度，展現了多模態寬波長光自適應能力。

圖3. ISNVaT的光電識別與適應行為。 a 基于MPSM薄膜的全有機本征可拉伸神經形態視覺自適應晶體管（ISNVaT）示意圖。 b 基于70% PU的ISNVaT在暗態和808 nm光照下的典型滯回轉移曲線。 c ISNVaT在不同強度808 nm光照下的典型轉移曲線。 d ISNVaT在不同波長光照下的典型轉移曲線。 e ISNVaT的光強依賴性自適應行為。 f 自適應時間、彈性體比例和孔洞率之間的相關性。 g 自適應行為帶來的能耗節省。 h 本工作與先前報道的自適應器件（按有機和無機有源層分類）的自適應時間對比。 i 提取的自適應速率指數對光強的依賴性。 j 提取的自適應速率指數對柵壓的依賴性。 k 提取的自適應速率指數對波長的依賴性。

得益于MPSM中彈性體富集孔洞提供的應力耗散和聚合物半導體纖維保證的光電傳輸，該器件表現出優異的機械耐久性。在高達100%的單軸拉伸應變下，器件的開態電流和光暗電流比未出現明顯衰減；即使在25%雙軸應變下經過1000次拉伸-釋放循環，光開關行為仍能保持。更重要的是，在100%應變下，器件的自適應行為仍保持穩定且可調。基于時間依賴的響應和記憶特性，該器件無需獨特架構設計即可融合光適應和雙脈沖抑制光合行為。雙脈沖抑制指數隨光脈沖間隔增加而逐漸增大，且可通過柵壓有效調控，在負柵壓下實現了低至44.37%的最優PPD指數，這是目前抑郁性突觸晶體管中最低值之一。該機制可歸結為：光照下光生激子快速分離產生峰值光電流，隨后光生空穴逐漸被缺陷態捕獲導致光電流迅速下降，最終在載流子捕獲與釋放間達到動態平衡。

圖4. 應變不敏感性與抑制性突觸特性。 a 處于機械應變下的ISNVaT陣列照片。 b ISNVaT的應變耐受特性。 c ISNVaT在不同拉伸循環次數下的拉伸穩定性。 d 不同應變和柵壓下的光適應行為。 e 多光脈沖下的抑制性突觸行為。 f 相同光脈沖對在不同光脈沖間隔和柵壓下的雙脈沖抑制指數。 g 不同光強和柵壓下（光照時間和間隔均為0.2秒）的雙脈沖抑制指數。 h 相同脈沖對條件下（光照條件相同，間隔0.2秒）不同波長下的雙脈沖易化指數。 i MPSM異質結薄膜中電荷輸運和捕獲機制的示意圖。

基于視覺自適應行為的豐富時變信息，研究團隊構建了先進的視覺自適應系統。通過提取自適應行為的關鍵指標并編碼，實現了高度誤導性的加密無線光通信：在特定編碼規則下，真實信息“PART”和“BOMB”被有效傳遞，而微小的時間條件偏移則會導致完全相反的虛假信息“FAKE”和“JUMP”，展現了卓越的信息安全保障能力。進一步，研究團隊構建了5×5晶體管陣列模擬視覺自適應像素，并通過連接LED作為驅動器，成功模擬了高級駕駛輔助系統在極端環境（如強光、霧天、事故變形）下的工作場景。與傳統非自適應像素不同，自適應像素在感知外部危險時會立即發出強警報，然后在極短時間內適應至所需水平，從而清晰感知外部信息以分析當前狀況，而傳統系統則會因持續警報而遮蔽外部信息。這種集感知、計算和決策于一體的自適應系統，有望減少資源消耗，提升緊急情況下的響應速度。

圖5. 面向光通信加密和ADAS模擬的先進視覺自適應系統。 a 與非自適應光探測器相比，視覺自適應行為豐富的多維信息。 b 自適應行為的特定編碼本和規則。 c 不同波長下的誤導性光加密通信行為，真實碼字“PART”被誤導為“FAKE”。 d 不同近紅外光強下的誤導性光加密通信行為，真實碼字“BOMB”被誤導為“JUMP”。 e 視覺自適應像素電路和環境參考電路示意圖，其中視覺自適應像素電路將近紅外輸入信號轉換為可見光輸出信號。 f 基于視覺自適應晶體管和傳統光電晶體管的ADAS模擬對比示意圖。與傳統系統相比，視覺自適應系統避免了緊急情況下環境信息的遺漏。 g 極端天氣條件（如霧天）下的視覺自適應系統ADAS模擬。 h 特殊碰撞變形情況下的視覺自適應系統ADAS模擬。

該研究通過表面能和熱力學誘導的體異質結工程，成功開發了具有本征可拉伸性、保持性光敏性和缺陷可調性的多維相分離誘導微網薄膜，并應用于神經形態光電子學。基于MPSM薄膜的優異可調特性，研究團隊實現了全有機神經形態視覺自適應系統，其在極端環境下展現出卓越的智能時變信息處理能力。這種仿生視覺自適應系統為視覺密碼學、仿生機器人和無人智能領域提供了一種普適性策略，預示著其在先進可穿戴智能神經形態光電子學領域的變革性潛力。