文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c08070
亮点：
1.超低能耗性能：通过聚酰亚胺介电层和优化接触结构，实现了0.05 aJ的能耗，远低于传统光电突触，达到领域顶尖水平。
2.高效光电性能：显著提升了光响应度、探测度和外量子效率，为光电突触的多功能应用奠定了基础。
3.循环神经网络集成：开发了基于MoS₂光电突触与循环神经网络结合的光学信号识别系统，实现100%识别精度。
4.图像加密与修复：利用随机电压生成的光电突触阵列实现图像加密，并通过解密恢复部分受损图像，展示了信息安全与图像处理的多场景应用潜力。
摘要
高性能光电突触晶体管在发展与模拟人工视觉系统中扮演关键角色。然而，由于现有光电突触的能耗优化主要依赖单一结构材料的调控，其能耗水平远远落后于电子突触，差距达到数个数量级。在本研究中，我们通过引入聚酰亚胺介电层及优化接触策略，实现了超低能耗的光电突触。聚酰亚胺介电层显著增强了光生载流子的分离效率，大幅提升了光响应度（1.5 × 10⁶ A·W⁻¹）、探测度（6.9 × 10¹² Jones）以及外量子效率（4.0 × 10⁸%）。此外，优化的接触特性进一步降低了光电突触的能耗。在极低电压5 μV下触发兴奋性突触电流，实现了超低能耗0.05 aJ，达到了该领域的顶尖水平。进一步，我们将MoS₂光电突触与循环神经网络集成，开发了一种能够100%精确识别光信号的系统，尤其是在aJ级能耗条件下表现出卓越性能。最后，我们构建了一个基于光电突触阵列的图像加密系统，其中图像通过随机电压设置的光电转换加密，并通过基于循环神经网络的高精度解密进行解锁。更重要的是，对于部分受损的图像，解密后还可以实现图像补全。这一创新方法在提升人工智能应用的能效、信息安全和计算能力方面具有广阔前景。
研究背景和主要内容
人类的视觉系统是接收外部信息的主要渠道，由于其无与伦比的适应性、敏锐的感知力和广阔的角度覆盖范围，对我们的认知功能和日常活动至关重要。受这些属性的启发，开发具有图像感知、处理和记忆多方面能力的人工视觉系统对人工智能具有重要意义。此外，模仿其他生物感觉系统的人工系统的开发也在人工智能的发展中发挥着重要作用。然而，现有的人工视觉系统依赖于与冯·诺依曼架构搭配的尖端图像传感器。由于传感器、处理器和内存单元的离散性，它们面临着处理速度慢、能耗高以及处理实时非结构化数据的限制等问题。因此，迫切需要开发集成传感、处理和记忆功能的多功能电子设备，以驱动更高效的人工视觉系统。
展望未来的人工视觉发展，光电突触是有希望的竞争者，因为它能提供宽带宽和最小的功率损耗。此外，它们具有捕获光输入并将其转换为内存电信号的独特能力，这使得光电突触具有结合集成神经形态算法进行视觉信号感知的潜力。为了与生物突触有效竞争，光电突触必须具有出色的可扩展性，准确复制突触可塑性，模仿神经行为，并以显着降低的能耗运行。然而，目前光电突触面临的刚性材料、复杂的设备结构和高能耗等挑战阻碍了神经网络的快速发展，因此有必要探索新型材料和创新的突触设计可以模拟光电突触的上述特征。利用二维 (2D) 半导体材料，特别是具有原子级厚度和可调特性的二硫化钼 (MoS2 )，对于在后摩尔时代推进高性能神经形态计算具有重要意义。研究人员在利用各种 MoS 2光电突触模拟突触功能方面取得了重大进展。MoS 2光电突触中结构材料的调制方法提供了一种降低能耗的途径，通常是通过调节栅极电极和沟道材料来实现的。然而，单结构调控的限制不利于电特性的精确控制和能耗的降低，导致MoS 2光电突触的能耗明显落后于MoS2电子突触几个数量级。在管理低能耗的同时满足严格的性能标准的挑战导致了全面的全结构调制概念的提出。
在本研究中，我们引入了一种综合调制方法，通过同时调整栅极电介质和源漏特性来最大限度地发挥 MoS2光电突触的潜力。这些器件由几层 MoS2晶体管和溶液处理的聚酰亚胺 (PI) 电介质组成，表现出卓越的光响应性、光电探测性和外部量子效率。高性能归功于 MoS2 /PI 异质结的丰富界面态和 II 型能带排列。此外，优化的接触特性使器件即使在 5 μV 的极低V DS下也能保持出色的传输特性，从而显示出令人印象深刻的 0.05 aJ 的低能耗。将这些光电突触集成到神经形态架构中需要创新的电路设计和算法来释放它们的全部潜力。MoS2光电突触与循环神经网络 (RNN) 的融合产生了人工视觉感知，在低能耗场景中实现了 100% 的准确率。利用两者的优势，构建了一个图像加密系统，不仅能够加密/解密图像，还能修复部分损坏的图像。
图 1. MoS2光电突触的结构、形态和电特性。(a) 人类视觉感知的过程。(b) 光电突触、电突触和人脑突触中单个事件的能量消耗比较。(c) 光学调制的 MoS2光电突触示意图。(d) 代表性多层 MoS2晶体管的顶视图光学显微镜图像。比例尺：20 μm。插图是沿 MoS2薄片边缘的蓝线拍摄的 AFM 高度轮廓。(e) PI 沉积后的 PI 薄膜的 AFM 敲击模式形貌。(f) 在同一 MoS2晶体管通道中心拍摄的拉曼光谱。(g) 典型 MoS2晶体管在不同V DS（从 5 μV 到 1 V 不等）下的传输特性。（h）不同V BG（从-40到40 V变化）下MoS 2晶体管的相应输出特性。
图 2. MoS2光电突触的光响应特性和能耗。基于几层 MoS2 沟道和 PI 栅极电介质的光电突触晶体管的传输特性，在 VDS 为 0.01 V 时，在不同入射功率密度的 (a) 蓝光、(b) 绿光、(c) 红光照射下。(d) 根据图 S3a 计算的 MoS2光电突触的R、(e) EQE、(f) D * 与VBG的关系。 ( g )在入射功率密度为0.19 mWcm-2的 450 nm 光照下，V DS为 5 μV 和V BG为 0 V 时的 EPSC 。(h) 各种光电突触装置之间的能耗比较。
图 3. MoS2光电突触的光响应机制和栅极可调 EPSC 。（a）MoS2 /SiO2的能带图。（b）MoS2 /PI的能带图。（c）通过突触前、突触中和突触后调节的生物突触可塑性示意图。（d）不同背栅电压下MoS2光电突触的 EPSC。（e）从图 (d) 计算出的MoS2光电突触的I dark、I light和I ph与背栅电压的关系。（f）MoS2光电突触的光和电调制机制。
图4. MoS2光电突触的突触可塑性行为。（a）由一对光尖峰触发的 PPF 行为，固定读数偏压为 1 V。A
