中国科大在仿生光电神经感知器件领域取得新突破

发布:cyqdesign 2024-09-11 17:20 阅读:320

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))。

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。

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

分享到:

最新评论

likaihit 2024-09-12 00:08
中国科大在仿生光电神经感知器件领域取得新突破
redplum 2024-09-12 00:10
中国科大在仿生光电神经感知器件领域取得新突破
bairuizheng 2024-09-12 00:10
Optoelectronic synapses with chemical-electric behaviors in gallium nitride semiconductors for biorealistic neuromorphic functionality
tassy 2024-09-12 05:47
逼真的模拟了生物体中的复杂视觉行为。
phisfor 2024-09-12 06:13
中国科大在仿生光电神经感知器件领域取得新突破
小王加油 2024-09-12 08:00
交叉才能创新
willh 2024-09-12 08:33
交叉才能创新
雨后无文 2024-09-12 08:47
中国科大在仿生光电神经感知器件领域取得新突破
churuiwei 2024-09-12 08:59
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,
祖传老中医 2024-09-12 09:07
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
我要发表 我要评论
限 50000 字节
关于我们
网站介绍
免责声明
加入我们
赞助我们
服务项目
稿件投递
广告投放
人才招聘
团购天下
帮助中心
新手入门
发帖回帖
充值VIP
其它功能
站内工具
清除Cookies
无图版
手机浏览
网站统计
交流方式
联系邮箱:商务合作 站务处理
微信公众号:opticsky 微信号:cyqdesign
新浪微博:光行天下OPTICSKY
QQ号:9652202
主办方:成都光行天下科技有限公司
Copyright © 2005-2024 光行天下 蜀ICP备06003254号-1