基于此，郑州大学史志锋教授团队联合北京理工大学李营副教授提出了一种基于新型钙钛矿Cs2CoCl4单晶的双端光电突触器件，其兼具负光电导响应和阻变存储特性。通过集成阻变存储的电脉冲增强和负光电导性质的光脉冲抑制，所构筑的人工神经网络模拟器在手写数字识别中表现出较高的识别准确率和效率，以及良好的容错能力。
研究背景
近日，郑州大学史志锋教授团队开发出一种新型的钙钛矿Cs2CoCl4单晶材料，其同时具有负光电导响应和阻变存储特性。通过设计多层垂直结构（ITO/Cs2CoCl4/Cu）的光电器件，在光学和电学工作模式下都获得了优异的器件性能。通过调制电脉冲和光脉冲，可以在同一设备中实现了电写入和光擦除的人工光电突触。基于人工神经网络算法的仿真，所设计的光电突触器件成功实现了手写体数字图像的高精度识别应用。
研究人员首先通过水热法成功制备出高质量大尺寸（1.3 cm × 1.1 cm）钙钛矿Cs2CoCl4单晶。基于Cs2CoCl4单晶，设计并制备出结构为ITO/Cs2CoCl4/Cu的垂直结构光电器件（图1）。该器件在宽波段（265−780 nm）光照下表现出特殊的负光电导响应，并且具有优异的光探测能力，其响应度和比探测率分别达到了−18.3 mA W-1 和2.7 × 1012 Jones。理论计算和实验分析证明，Cs2CoCl4本征的铯空位缺陷（VCs）自发捕获光生载流子，产生带负电的激子与带正电的氯空位（VCl）形成与外加电场方向相反的内建电场，导致负光电导响应。该器件同时表现出易失性阻变特性，在较小电场强度下（5 × 104 V m-1）实现了高达104的开关比，并表现出高循环稳定性。电学测试表明，该忆阻器的阻变机理归因于金属阳离子和卤素空位迁移形成的导电细丝。
图2. 基于Cs2CoCl4单晶的人工光电突触构建及图像识别应用
总结与展望
作者提出了负光电导效应和忆阻态协同的钙钛矿人工光电突触模型，详细的实验和理论分析证实了负光电导效应、阻变机理以及协同工作的机制，并成功使用该突触单元构建了具有图像识别功能的人工视网膜。这项研究为光电子学和神经形态计算领域的发展提供了新的思路，未来有望应用于人工智能技术领域。
论文信息
Jiang, H., Ji, H., Ma, Z. et al. Simultaneous achieving negative photoconductivity response and volatile resistive switching in Cs2CoCl4 single crystals towards artificial optoelectronic synapse. Light Sci Appl 13, 316 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01642-8
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