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第一作者：罗晶莹
通讯作者：王志明，童鑫
通讯单位：电子科技大学
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.4c10795
摘要
本研究开发了一种环境友好型的反型I型胶体量子点(QDs)，用于近红外光光学突触和人工视觉系统。通过铜(Cu)掺杂的ZnSe/InP QDs，实现了从可见光到近红外区域的光响应扩展。瞬态吸收光谱分析揭示了Cu掺杂态的存在，这有助于提高光生电荷载流子的提取效率，从而增强了光检测性能。在400 nm光照下，Cu掺杂的ZnSe/InP QDs基光电探测器(PDs)展现出从紫外到近红外的宽带光检测，其响应度为70.5 A W−1，探测度为2.8 × 1011 Jones，超过了未掺杂ZnSe/InP QDs基PDs的性能。更重要的是，ZnSe/InP:Cu QDs-PDs在近红外光照射下展示了短期可塑性(STP)、长期可塑性(LTP)和学习-遗忘-再学习等类突触特性，进一步用于构建模拟人工视觉系统的PD阵列设备。本研究为利用环境友好型QDs开发近红外突触设备提供了见解，为人工神经网络和近红外视觉系统的进展提供了新的机会。
研究成果
电子科技大学基础与前沿研究院王志明教授、童鑫研究员在《ACS Nano》上发表了题为“Tailored Environment-Friendly Reverse Type-I Colloidal Quantum Dots for a Near-Infrared Optical Synapse and Artificial Vision System”的论文，研究人员成功制备了环境友好型的反型I型ZnSe/InP:Cu QDs，并将其应用于近红外光探测器和光子突触设备。通过Cu掺杂，研究人员扩展了QDs的光响应范围，从可见光区域扩展至近红外区域。在400 nm光照下，Cu掺杂的ZnSe/InP QDs基PDs展现出优异的光检测性能，其响应度和探测度均超过了未掺杂的ZnSe/InP QDs基PDs。此外，ZnSe/InP:Cu QDs-PDs在近红外光照射下能够模拟生物突触的关键特性，为构建人工视觉系统提供了可能。
论文亮点
1.环境友好型QDs的制备：本研究采用Cu掺杂的ZnSe/InP QDs，避免了使用含有铅(Pb)和汞(Hg)的有害重金属QDs，降低了对环境和健康的风险。
2.光响应范围的扩展：通过Cu掺杂，实现了从可见光到近红外区域的光响应扩展，增强了QDs的光检测性能。
3.类突触特性的模拟：ZnSe/InP:Cu QDs-PDs在近红外光照射下展现出短期可塑性、长期可塑性和学习-遗忘-再学习等类突触特性，为人工视觉系统的发展提供了新的思路。
图文导读
图1. (a) 制备ZnSe/InP:Cu QDs的流程图。(b) ZnSe，(c) ZnSe/InP，和 (d) ZnSe/InP:Cu QDs的典型透射电子显微镜（TEM）图像，内含尺寸分布直方图和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。(e) ZnSe/InP:Cu QDs的选区电子衍射（SAED）图案。(f) ZnSe、ZnSe/InP和ZnSe/InP:Cu QDs的X射线衍射（XRD）图案。(g) ZnSe/InP:Cu QDs和无水CuCl2的Cu 2p核心能级的高分辨X射线光电子能谱（HRXPS）。
图 2. (a) ZnSe/InP和ZnSe/InP:Cu QDs的归一化紫外-可见-近红外吸收光谱和 (b) 光致发光（PL）光谱。(c) ZnSe/InP:Cu QDs中载流子动力学的示意图。(d) ZnSe/InP QDs从475到660纳米和 (e) ZnSe/InP:Cu QDs从414到720纳米和 (f) 900到1200纳米的超快时间分辨瞬态吸收（TA）光谱。(g) ZnSe/InP QDs在535纳米和 (h) ZnSe/InP:Cu QDs在630和 (i) 940纳米的TA动力学拟合。
图 3. (a) 制备的QDs基光电探测器（PDs）的结构和工作原理图。(b) ZnSe/InP:Cu QDs基PDs在不同波长光照和黑暗条件下的光电流密度与施加电压的变化。(c) ZnSe/InP和ZnSe/InP:Cu QDs基PDs在405、450、520、680和790纳米光照下的时间依赖性光响应曲线（1 V，1.0 mW cm−2）。(d) ZnSe/InP和ZnSe/InP:Cu QDs基PDs在400至800纳米范围内的响应度（1 V，1.0 mW cm−2）。(e) ZnSe/InP:Cu QDs基PDs与其他基于环保QDs和含Cd/Pb的QDs的PDs在光检测性能上的比较。(f) ZnSe/InP和ZnSe/InP:Cu QDs基PDs在不同波长光照下的自供能现象。
图 4. (a) 基于ZnSe/InP:Cu QDs基突触PDs的光学突触示意图。(b) 光脉冲间隔（Δt）与PPF指数的变化关系（1.0 mW cm−2，脉冲宽度为1秒）。通过增加光 (c) 脉冲时间和 (d) 脉冲数量（N）实现STP到LTP的转变。(e) 在不同光脉冲刺激下突触权重的衰减（N = 20, 30, 和 40）。通过增加 (f) 光功率密度（N = 30）和 (g) 脉冲宽度（N = 20）实现STP到LTP的转变。(h) ZnSe/InP:Cu QDs基突触PDs的“学习-遗忘-再学习”过程，随着训练次数的增加。所有EPSC值均在近红外790纳米光照和0.1 V施加偏压下测量。
图 5. (a) 人类视觉系统的结构图。(b) QDs-PD阵列在近红外光脉冲（790纳米，0.1 V）下的示意图。(c) 3×3阵列的图像映射，具有五种不同的光强度。(d) 3×3阵列在不同光刺激脉冲次数（0, 10, 和 30）下的增强状态下的电导映射，以及在移除刺激条件后0, 20, 和60秒的抑制状态下的电导映射。
结论
本研究成功开发了一种环境友好型的反型I型ZnSe/InP:Cu QDs，用于构建近红外光光学突触和人工视觉系统。Cu掺杂不仅扩展了QDs的光响应范围，还提高了光检测性能，并成功模拟了生物突触的关键特性。这些成果为未来在光电传感和神经形态电子应用中开发多功能近红外QDs-PD设备提供了重要的科学依据。
作者简介
王志明，教授，长期从事化合物半导体纳米材料分子束外延生长和表征，光电原型器件设计和制备，是国际上这一领域的引领者之一，取得了一系列创新性研究成果，其研究成果主要发表于本领域国际一流学术刊物， SCI收录160篇，并多次被Applied Physics Letters等期刊封面介绍，研究成果引起国际同行和专业媒体的广泛关注。其中，应变量子点的多层有序自组织，高指数面纳米结构控制，液滴外延纳米材料生长等先驱性研究成果为深化国际学术界对量子限制结构与功能的认识作出了重要贡献。同时，也积极促进这一领域的国际学术交流，创办并主编了SCI期刊《纳米研究快讯》，任Springer《斯普林格材料科学》和《纳米科技讲义丛书》编辑；创建和组织几个系列国际学术会议，包括虚拟纳米科技系列，纳米互动别墅和游艇系列，复合氧化物别墅系列等等，其中别墅系列会议已成为领域内的主流学术会议。
童鑫，研究员，长期从事半导体胶体量子点设计制备、物性调控及各类光电应用研究。作为项目负责人主持包括国家重点研发计划政府间重点专项、国家自然基金、四川省科技计划项目等在内的6项国家/省部级项目。以主研身份参与国家重点研发计划光电子集成重点专项和国家JKW基础加强重点专项2项重大重点项目。近年来在国际知名学术期刊Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等发表90余篇论文，总引用4100余次，个人h-index指数为35，授权15项国家发明专利，编撰出版2部英文学术专著。入选四川省“天府峨眉计划”、福布斯中国30岁以下科学精英榜、电子科技大学“百人计划”，获中国发明协会“发明创新·创业奖”金奖。现担任SCI期刊Alexandria Eng. J.（IF: 6.8）副主编、EI期刊J. Electron. Sci. Technol.副主编、国产高水平期刊Carbon Energy, Exploration, Electron青年编委、Nat. Commun., ACS Nano, ACS Energy Lett., Adv. Funct. Mater.等多个国际知名学术期刊独立审稿人。
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