石墨炔(GDY)由于其独特的结构和优异的性能，正成为一种具有广阔应用前景的材料。然而，GDY在电子学和光电子学中的应用仍处于初级阶段，主要是由于用于可扩展应用的大面积、均匀的GDY薄膜的合成面临巨大的挑战。本文提出了一种改进的范德华外延方法，直接在石墨烯(Gr)表面合成均匀度高、厚度可控的晶片级GDY薄膜，为构建大规模GDY/Gr-基光电突触阵列提供了理想的平台。实现了基本的突触行为，线性和对称的电导率更新特性促使图像识别的神经形态计算具有较高的准确性和较强的容错性。包括“NAND”和“NOR”在内的逻辑函数集成到突触中，可以通过光路执行。此外，构建了可视化信息感知-记忆-处理系统，实现实时图像采集、原位图像记忆和识别任务，避免了传统视觉系统中因数据转换和传输而造成的时间延迟和能量消耗。这些结果突出了GDY在神经形态计算和人工视觉系统应用中的潜力。
 
  
图1. 晶片级GDY/Gr异质结构表征。SiO₂/Si基底上晶片级GDY/Gr异质结构的(a)照片和(b) OM图像。比例尺:50 μm。(c) GDY/Gr薄膜的SEM图像。比例尺:30 μm。(d)由单层石墨烯和三层GDY组成的厚度约为1.36 nm的GDY/Gr薄膜的AFM图像。比例尺:1 μm。(e) GDY/Gr薄膜的SAED图。(f) GDY域的HRTEM图像。比例尺:10nm。(g) SiO₂/Si基底上GDY/Gr(粉色)和原始石墨烯薄膜(绿色)的拉曼光谱。(h) C 1s的高分辨率XPS图像。
 

图2. GDY/Gr-基突触晶体管的光电特性。(a)GDY/ Gr-基晶体管及其OM图像的示意图。在石墨烯和SiO₂/Si基底之间嵌入OTMS层。“S”和“D”代表源极和漏极。该器件的宽度为50 μm，长度为10 μm。比例尺:20 μm。(b)在SiO₂/Si晶片上的14x15 GDY/ Gr-基晶体管阵列照片。(c) V_bg从-70 V扫至70 V再回到-70 V时的器件传递曲线。(d)器件在不同功率光辐射(450 nm)下的传输特性。(e)狄拉克点(ΔV，红色)的水平位移和相应的响应度(R，蓝色)作为有效照明功率的函数。在0.01 V的偏置电压下测量通道电流。
 
  
图3. GDY/Gr-基光电突触的突触可塑性。(a)生物突触示意图(左)和GDY/Gr光电突触简化电路示意图(右)。(b)分别为V_bg (20 V, 100 ms)和光脉冲(450 nm, 35 mW·cm^-2, 100 ms)触发器件的EPSC和IPSC。(c)分别在电刺激和光刺激下器件的电荷捕获/去捕获过程和PPC效应的机制。(d)分别为由间隔200 ms的配对V_bg (15 V, 20 ms)和光脉冲(450 nm, 20 mW·cm^-2, 20 ms)触发EPSC和IPCS。(e)分别为配对电脉冲(红色)和光脉冲(蓝色)触发的器件PPF-Δt曲线。(f) EPSC(红色)和IPSC(蓝色)分别为电/光脉冲数的函数。(g)不同频率时20个连续电/光脉冲触发的频率相关的EPSC(红色)和IPSC(蓝色)曲线。(h)味觉厌恶学习的实验。分别用V_bg峰(15 V, 20 ms, 1 Hz)和光学峰(450 nm, 20 mW·cm^-2, 20 ms, 1 Hz)模拟饮酒和服用依米丁。在V_ds = 0.01 V时测量通道电流。
 
  
图4. GDY/Gr-基突触参数的神经形态计算模拟。(a)用于神经形态计算的权重更新中设备的LTP/LTD特性。100个连续增强的V_bg峰(10 V, 10 ms)之后是100个连续减弱的光学峰(450 nm, 13 mW·cm^-2, 10 ms)。(b)器件到器件的非线性分布(β_P和β_D)和最低/最高电导状态(G_min和G_max)。(b)中的统计分析来自200个设备的权重更新特性。(c)用于识别像素为28x28的手写数字的CNN示意图。(d) 测试图像的噪声比从0到90%。(e) 无噪声像素为28 × 28的手写数字图像的识别精度随训练周期的变化。(f)网络对不同噪声比时手写数字的识别精度。(g)经过40个训练周期后，识别精度与噪声像素比例(0-90%)的关系。
 
 
图5. 用于GDY/Gr突触晶体管的二进制光输入驱动逻辑函数。(a)一个GDY/Gr突触晶体管获得的轴突多突触网络示意图。(b)和(c)分别利用R+G和B+UV组合的二进制光输入实现“NAND”和“NOR”逻辑运算。
 
 
图6. 基于GDY/Gr突触阵列的图像识别视觉信息感知-记忆-处理系统。(a)用于图像传感、记忆和处理的人类视觉系统示意图。(b)GDY/Gr突触阵列7x6面板的SEM图像。比例尺分别为300 μm和25 μm。(c)和(d)参考图像“G”分别与未知图像1(“D”)和2(“G”)的区别。给出了7x6突触阵列在三种不同状态下的电导。将100个间隔为50 ms的连续光脉冲(10 mW·cm^-2, 10 ms)施加到相应的器件上输入图像。测量使用的栅电压为20 V，漏极电压为0.01 V。

       相关研究成果由天津理工大学材料科学与工程学院、新能源材料与低碳技术研究院、“材料微结构”教育部国际合作联合实验室Zhi-Cheng Zhang等人于2021年发表在Nano Research(https://doi.org/10.1007/s12274-021-3381-4)上。原文：Synthesis of wafer-scale graphdiyne/graphene heterostructure for scalable neuromorphic computing and artificial visual systems。

转自《石墨烯研究》公众号