中国科大在仿生光电神经感知器件领域取得新突破

近日，中国科大微电子学院孙海定教授iGaN Lab课题组与武汉大学刘胜院士团队合作，在仿生光电神经感知器件的前沿研究中取得重要进展。研究团队成功开发以第三代半导体氮化镓（GaN）为核心材料的光电神经突触器件，实现具有化学调控的神经形态功能。该器件首次提出利用光电化学器件架构，结合传统半导体构筑新型半导体/电解质异质界面，并逼真模拟了生物体中的复杂视觉行为。该成果以“Optoelectronic synapses with chemical-electric behaviors in gallium nitride semiconductors for biorealistic neuromorphic functionality”为题，近期发表在国际学术期刊《自然·通讯》上。

随着人工智能和大数据时代的迅猛发展，数据量和信息处理需求急剧增长，而光电感知技术作为现代信息传输和处理的核心手段，显得愈发关键。受生物视觉启发的光电神经突触器件，有望将光电感知、信息存储和信息处理功能集成到同一系统中，为多功能和集成化感知系统的开发提供全新途径。然而，现有的光电神经突触器件主要依赖于传统光电物理过程，无法有效模拟生物视觉系统中复杂的化学-光电全过程，较大程度限制了其功能性和应用场景。

近年来，光电化学器件因其将物理和化学过程相结合的独特工作优势，逐渐成为研究热点。该类器件不仅涵盖了经典半导体物理中的光生载流子的产生、提取和输运行为，还包括在半导体/电解质溶液界面上的电化学反应过程，为实现更复杂的光电功能提供了新的器件架构。在前期研究中，团队利用分子束外延技术所制备的高质量的GaN纳米线，在p-n异质结纳米线中首次实现光电流极性翻转现象(Nat. Electron. 4, 645–652 (2021))，并将其应用于光电逻辑门和水下加密光通信系统中(Adv. Mater. 35, 2300911(2023);Adv. Mater. 36, 2307779(2024))，相关研究成果被选为封面论文发表。

在光电化学器件原型基础上（如Advanced Materials封面所示如下），并针对现有光电神经突触器件所面临的挑战，团队提出基于GaN纳米线的光电化学神经形态器件架构。该架构首次将生物系统中的溶液介导的化学-电过程与固态器件中的光电过程相结合，显著提升了器件的功能性和生物兼容性（图1（a）和（b））。

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图1. 生物视觉系统(a)和光电化学神经突触器件(b)对比，以及光电化学器件原型发表于先进材料封面（c）上

通过这种新型器件的构筑，团队实现了双模式的突触行为，并通过表面铂金属的化学修饰，利用新型半导体/电解质表界面结构，成功调控了器件的突触响应行为。同时，该器件还展现了类生物系统的化学调控突触特性。更为重要的是，该器件能够模拟人体内的氧化应激过程，并进一步重现氧化应激引发的视觉认知衰退现象，如图2a-2e所示。

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图2. 光电神经形态器件的响应与功能展示。（a-b）负载铂金属前后的双模式突触响应。（c）生物体内氧化应激现象示意。（d）器件模拟的学习与记忆衰退行为。（e）器件模拟的视觉感知衰退行为

这一器件架构不仅突破了传统光电神经突触器件的局限性，借助其独特的溶液工作环境，还能够与生物系统兼容并实现一体化集成，有望在仿生视觉、神经形态生物传感、光控脑机接口和神经假肢修复等领域开辟新的应用前景，为未来光电子与生物电子的交叉与集成应用提供新的发展方向。

此项研究工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科大双一流建设经费、中央高校基本科研基金等专项经费的资助，也得到中国科大微电子学院、中国科大微纳研究与制造中心和中国科大理化实验中心的支持。我校孙海定教授为论文通讯作者，博士生刘鑫、已毕业汪丹浩博士和博士生陈炜为论文的共同第一作者。澳大利亚国立大学傅岚教授和沙特阿卜杜拉国王科技大学Boon Ooi教授参与了项目的联合攻关，刘胜院士为本项目的顺利展开提供了重要设备支撑并全程指导。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51194-z