一、导读

在人工智能与物联网技术日新月异的当下，传统计算机架构在处理复杂信息任务时其局限性愈发显著。由于传统的冯诺依曼系统采用的是处理器与内存分离的架构设计，导致数据读取过程中存在高功耗与较长的计算时间，这难以满足低功耗、高适应性计算的需求。因此，开发新型高效的信息处理系统已成为当务之急。在这一背景下，受视网膜启发的人工神经形态视觉传感器成为研究热点。人工突触作为神经形态计算的核心组件，旨在模拟生物突触的功能，从而实现高效的信息感知、存储与计算的一体化集成，对于推动下一代人工智能技术的发展起着举足轻重的意义。近年来，科研人员积极探索构建人工突触器件的多种材料和结构，并且已经取得了阶段性成果。然而，如何将不可见紫外光传感与记忆功能集成到先进神经形态视觉系统中仍是一大挑战。

二、成果掠影

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所/中国科学院大学孟建平副研究员和李舟研究员在Advanced Functional Materials期刊发表了题为“Retina-Inspired Artificial Synapses with UV Modulated and Immediate Switchable Plasticity”的论文。该研究制备了基于GaN/BiFeO₃异质结的受视网膜启发的人工神经形态视觉传感器，其独特之处在于集传感、记忆和处理功能于一体。该器件能够在极微弱的紫外光照射下，展现出即时可切换的突触可塑性。它能够模拟兴奋性突触后电流（EPSC）、双脉冲易化（PPF）、短期和长期可塑性（STP/LTP），以及学习-遗忘-再学习等过程。其中，PPF指数可高达200%，最小激发光强度低至0.68 µW/cm²。这一现象源于紫外光照诱导的氧空位的电离和去电离，进而增强了持续光电导效应。此外，该器件通过识别“BINN”字母图案，成功模拟了类似人类的视觉记忆行为，这一行为由不可见的紫外光信息触发，并贯穿于学习-遗忘-再学习过程中。本研究成果为下一代低功耗、多功能光伏人工突触提供了重要参考，提供了重要参考，在人工智能、智能感知等领域展现出广阔的应用前景。

三、核心创新点

1. 基于GaN/BiFeO₃异质结器件呈现出即时可切换的突触可塑性，如EPSC、PPF、STP/LTP，以及学习-遗忘-再学习过程。最大PPF指数达200%，最小激发光强为0.68 µW/cm²。
2. 该异质结构所展现的突触可塑性行为，源于II型光伏异质结构的协同效应、铁电极化效应，以及BiFeO₃薄膜中高浓度的电荷陷阱态。这证实了紫外光对氧空位电离与去电离过程的有效调制，进而增强了持续光电导效应。
3. 从学习-遗忘-再学习过程中，通过不可见的紫外信息提取的视觉记忆成像效应，在模拟紫外调制的神经形态视觉系统方面表现出巨大的潜力。这项工作可以为低功耗、多功能的光伏人工突触提供新的范式。

四、数据概览

图1. 基于GaN/BiFeO₃异质结的紫外线人工神经形态视觉传感器｡a) 人工视觉系统的示意图,包括视网膜及其生物对应物的多层结构; b) 基于GaN/BiFeO₃异质结的视觉人工光感受器的示意图; c) XRD图; d) BiFeO₃薄膜的PFM图; f) BiFeO₃薄膜的O1s XPS光谱｡

图2. GaN/BiFeO₃异质结在不同紫外光照条件下的突触可塑性 a) 325 nm紫外线光照条件下不同光照强度的依赖性; b) 在3.4 μW/cm²的紫外光照强度下的不同脉冲宽度依赖性; c) 在不同频率的紫外光照射下,衰减特性的依赖性; d) 紫外光照刺激下的双脉冲易化(PPF)行为; e) 基于不同脉冲间隔(Δt)的PPF指数的相关性; f) 紫外光诱导的学习-遗忘-再学习过程｡

图3. GaN/BiFeO₃异质结的工作机理图｡a) GaN/BiFeO₃异质结能带结构的示意图; b) 紫外线光照下的GaN/BiFeO₃异质结; c) 撤去紫外光照后的情况｡

图4. 基于GaN/BiFeO₃异质结的紫外光电人工神经形态传感器的视觉记忆模拟。 a) 随着紫外光脉冲数量(纵轴)的增加,具有“BINN”字母图案的归一化EPSC映射图像随衰减时间(横轴)的变化; b) 图像遗忘过程与艾宾浩斯遗忘曲线相一致｡

文献链接：

Xuemei Zheng^#, Mengji Dong^#, Qi Li, Lu Wang, Yanli Liu, Xuan Di, Qilin Hua, Longfei Wang, Jianping Meng,* and Zhou Li*. Retina-Inspired Artificial Synapses with UV Modulated and Immediate Switchable Plasticity. Advanced Functional Materials, 2024, https://doi.org/10.1002/adfm.202420612.