一种基于全印刷技术的低功耗光突触有机场效应光电晶体管阵列

据麦姆斯咨询报道，近期，苏州大学张晓宏教授和揭建胜教授团队合作开发了一种基于全印刷技术的低功耗光突触有机场效应光电晶体管阵列（英文缩写为FSP-OFET），并演示了该阵列在仿人眼视觉领域的应用。该阵列将器件功耗降低到生物突触的水平，并在低功耗下实现了多项生物突触的功能，比如短期可塑性（STP）和长期记忆增强（LTP）等，从而推动了低功耗仿生人眼视觉系统的发展。

与传统的光电晶体管不同，光突触晶体管的特点体现在其对入射光具有光电响应的同时，还具备仿生“突触”的行为上。光突触晶体管的半导材料选用的是Dif-TES-ADT，一种在可见光波段具有高灵敏响应，且空气稳定的p型有机小分子半导体材料。以往的工作表明，溶液法制备的Dif-TES-ADT晶体中存在着大量的电荷陷阱，光照时晶体管中的电荷进行分离，大量的电子被陷阱捕获，从而导致了器件电导状态的上升；光照结束后被捕获的电子被逐渐释放，电导状态也随之缓慢恢复（图1）。这种载流子捕获与释放的过程与生物突触中的记忆和遗忘的行为非常类似，成为光突触行为的来源。

图1 光突触晶体管示意图及实现突触功能的电荷捕获与释放过程

为了充分发挥有机材料可溶液法处理的优势，研究者们提供了一种结合喷墨打印技术和刮涂印刷的全印刷器件制备工艺-使用定点喷墨打印完成电极的构筑，并使用刮涂印刷绝缘材料。在完成了底部电极阵列的构筑后，再通过刮涂法一步印刷半导体材料，最终得到了柔性大面积的光突触晶体管阵列（图2）。

图2 全印刷制备光突触晶体管阵列

与传统的源漏电极为欧姆接触的场效应光电晶体管不同，研究者采用了肖特基接触的源漏电极来构筑有机场效应光电晶体管，以此达到器件低电流和低电压操作的目的。随着肖特基结构的引入，晶体管的操作电压与关态下电流大幅降低，最终实现了超低的工作能耗，且超低的暗电流也有效提升了器件光电响应灵敏度。在STP行为中每个光照事件最低功耗可以达到0.07 fJ，该数值比之前报道的光突触器件降低了四个数量级以上，达到甚至低于人脑中突触的功耗水平（1-100 fJ）(图3)。

图3 单个光突触晶体管的性能及在不同光照条件下的能耗表现

除了在单个器件上实现低功耗和高的光电响应灵敏度，研究者还展示了利用阵列化的器件实现了仿生视觉和图像学习等功能。研究者采集了多次光照下每个像素点电流的变化情况，随着光照次数的增多，更强的光电流导致了更高的图像对比度，这个过程与人眼重复看同一事物，慢慢记住物体的过程相类似。再结合计算机卷积神经网络（CNNs）对物体的识别，可以观察到随着光照次数的增加，CNNs对于图像的识别能力也在提升（图4），充分证明了全印刷的光突触晶体管阵列在仿生视觉领域的应用潜力。

图4 仿生视觉和图像增强功能演示

该工作最大的意义在于克服了传统有机光突触器件高功耗的障碍，且全印刷的制备工艺可以实现大面积柔性器件的集成，从而让仿生视觉设备离实际应用又更进了一步。

审核编辑 ：李倩