【儀器網 科技成果】近日，中國科學技術大學微電子學院孫海定教授iGaN Lab課題組與武漢大學劉勝院士團隊合作，在仿生光電神經感知器件的前沿研究中取得重要進展。研究團隊成功開發以第三代半導體氮化鎵(GaN)為核心材料的光電神經突觸器件，實現具有化學調控的神經形態功能。該器件首次提出利用光電化學器件架構，結合傳統半導體構筑新型半導體/電解質異質界面，并逼真模擬了生物體中的復雜視覺行為。該成果以“Optoelectronic synapses with chemical-electric behaviors in gallium nitride semiconductors for biorealistic neuromorphic functionality”為題，近期發表在國際學術期刊《自然·通訊》上。

 

　　隨著人工智能和大數據時代的迅猛發展，數據量和信息處理需求急劇增長，而光電感知技術作為現代信息傳輸和處理的核心手段，顯得愈發關鍵。受生物視覺啟發的光電神經突觸器件，有望將光電感知、信息存儲和信息處理功能集成到同一系統中，為多功能和集成化感知系統的開發提供全新途徑。然而，現有的光電神經突觸器件主要依賴于傳統光電物理過程，無法有效模擬生物視覺系統中復雜的化學-光電全過程，較大程度限制了其功能性和應用場景。
 

　　近年來，光電化學器件因其將物理和化學過程相結合的獨特工作優勢，逐漸成為研究熱點。該類器件不僅涵蓋了經典半導體物理中的光生載流子的產生、提取和輸運行為，還包括在半導體/電解質溶液界面上的電化學反應過程，為實現更復雜的光電功能提供了新的器件架構。在前期研究中，團隊利用分子束外延技術所制備的高質量的GaN納米線，在p-n異質結納米線中首次實現光電流極性翻轉現象(Nat. Electron. 4, 645–652 (2021))，并將其應用于光電邏輯門和水下加密光通信系統中(Adv. Mater. 35, 2300911(2023);Adv. Mater. 36, 2307779(2024))，相關研究成果被選為封面論文發表。
 

　　在光電化學器件原型基礎上(如Advanced Materials封面所示如下)，并針對現有光電神經突觸器件所面臨的挑戰，團隊提出基于GaN納米線的光電化學神經形態器件架構。該架構首次將生物系統中的溶液介導的化學-電過程與固態器件中的光電過程相結合，顯著提升了器件的功能性和生物兼容性(圖1(a)和(b))。
 

　　圖1. 生物視覺系統(a)和光電化學神經突觸器件(b)對比，以及光電化學器件原型發表于先進材料封面(c)上
 

　　通過這種新型器件的構筑，團隊實現了雙模式的突觸行為，并通過表面鉑金屬的化學修飾，利用新型半導體/電解質表界面結構，成功調控了器件的突觸響應行為。同時，該器件還展現了類生物系統的化學調控突觸特性。更為重要的是，該器件能夠模擬人體內的氧化應激過程，并進一步重現氧化應激引發的視覺認知衰退現象，如圖2a-2e所示。
 

　　圖2. 光電神經形態器件的響應與功能展示。(a-b)負載鉑金屬前后的雙模式突觸響應。(c)生物體內氧化應激現象示意。(d)器件模擬的學習與記憶衰退行為。(e)器件模擬的視覺感知衰退行為
 

　　這一器件架構不僅突破了傳統光電神經突觸器件的局限性，借助其獨特的溶液工作環境，還能夠與生物系統兼容并實現一體化集成，有望在仿生視覺、神經形態生物傳感、光控腦機接口和神經假肢修復等領域開辟新的應用前景，為未來光電子與生物電子的交叉與集成應用提供新的發展方向。
 

　　此項研究工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、中國科大雙一流建設經費、中央高校基本科研基金等專項經費的資助，也得到中國科大微電子學院、中國科大微納研究與制造中心和中國科大理化實驗中心的支持。我校孫海定教授為論文通訊作者，博士生劉鑫、已畢業汪丹浩博士和博士生陳煒為論文的共同第一作者。澳大利亞國立大學傅嵐教授和沙特阿卜杜拉國王科技大學Boon Ooi教授參與了項目的聯合攻關，劉勝院士為本項目的順利展開提供了重要設備支撐并全程指導。