本文要点
本文探讨了一种基于手性钙钛矿的环偏振紫外光子人工突触（PAS）设备的开发。该设备可以检测和存储环偏振光（CPL）信号，并模拟大脑神经元的学习和记忆功能。通过手性钙钛矿和单壁碳纳米管的异质结构，这项研究展示了如何实现高精度环偏振光成像和学习系统。
研究背景
人类视觉系统不能识别光的环偏振状态，而某些动物则可以利用这一特性进行交流。这种特殊的视觉功能引发了研究人员对于人工光感知系统的兴趣，尤其是那些能够模拟光学学习和记忆的光子人工突触。然而，当前的研究大多集中在可见光范围内的光学传感器，而缺少能够解析紫外光的CPL感知系统。
研究内容
研究人员使用了手性钙钛矿与单壁碳纳米管（SWNTs）构建异质结构。这种材料结合了手性钙钛矿的紫外光吸收特性以及碳纳米管的高电荷迁移率，能够实现对环偏振光的响应。具有左手（S-α-MBA）和右手（R-α-MBA）对映体的手性有机分子与卤化铅钙钛矿结合形成一维的手性钙钛矿材料（1D-R 和 1D-S）。SWNTs作为电荷传输和存储的层，其高载流子迁移率提高了设备的性能。
随后研究人员通过紫外光的环偏振激光照射，测试了手性钙钛矿/SWNTs异质结构的光电响应性能。1D-S/SWNTs和1D-R/SWNTs异质结构对左手（LCP）和右手（RCP）环偏振光表现出明显区分能力。设备在LCP光照下的响应比RCP光照更为强烈，展示了优异的环偏振光解析性能，尤其在395 nm紫外波段的响应达到240 mA/W。该设备在室温下放置一个月后，性能几乎没有退化，表现出优良的稳定性。
为了更深入地理解设备的光电行为，研究人员使用了瞬态吸收（TA）光谱技术，分析了异质结构中光诱导载流子的行为。当紫外光激发手性钙钛矿时，光生的空穴被迅速转移到SWNTs层，这一过程是CPL依赖的。左手环偏振光（LCP）下的空穴注入效率达到72%，而右手环偏振光（RCP）下为60%。在多次光脉冲照射下，SWNTs中的电荷被有效存储，表现出长时的电荷存储能力。这一特性对于开发光子神经形态计算系统尤其重要，因为它与神经突触中的学习和记忆过程十分类似。
接下来，研究团队模拟了设备在不同CPL光脉冲下的突触活动，展示了设备对环偏振光的可调突触响应。设备在单次光脉冲刺激下产生的兴奋性突触后电流（EPSC）表现出明显的不同。LCP光脉冲诱导的EPSC响应比RCP光脉冲更高。通过多次CPL脉冲刺激，设备的EPSC值逐渐增加，表明学习能力随着光脉冲的次数而增强，这模拟了大脑中的长期记忆过程。
研究的一个重要成果是利用设备构建环偏振光图像识别系统。通过将CPL光脉冲编程为视觉信号，设备能够对输入图像进行识别和记忆。研究人员使用一个7×7像素的设备阵列，将图像信息编码为不同的CPL光脉冲。设备能够根据输入的光脉冲强度和极化方向，对图像进行识别，并展示出逐步增强的视觉记忆功能。在神经网络模拟中，设备对LCP和RCP光的图像识别精度分别达到了93%和88%。
最后，研究团队利用设备模拟了一个神经网络用于更复杂的图像识别任务。该模拟神经网络由784个输入神经元、200个隐藏神经元和10个输出神经元组成，使用MNIST手写数字数据库进行训练和测试。经过300个训练周期后，使用LCP光训练的神经网络能够达到93%的识别精度，表现出优越的学习能力。
总结与展望
这种手性钙钛矿异质结构提供了一种新型的紫外光成像和感知方法。展示了手性钙钛矿与SWNTs异质结构在构建CPL解析的神经形态视觉系统中的巨大潜力，并为未来开发基于光子神经计算的设备提供了有力的支撑。
文献详情
Qi Liu, Qi Wei, Hui Ren, Luwei Zhou, Yifan Zhou, Pengzhi Wang, Chenghao Wang, Jun Yin & Mingjie Li
Nature Communications | (2023)14:7179
