Advanced Materials: 偏振视觉适应晶体管

2023-04-04 03:04

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偏振是光的一个基本属性，能揭示物体的重要特征信息，如材料成分、表面形状、介电常数等等。偏振光普遍存在于自然界中，基于偏振光的探测技术在成像、通信、生物医疗等方面已经得到广泛应用，极大地提高了我们的生活水平。偏振视觉成像技术能极大减弱或消除杂散光、眩光等干扰，从而显著提高成像质量，在军事防伪、气候成像等领域具有重要应用价值。然而，传统的偏振感知器件由于冯·诺依曼架构瓶颈，在功耗、速度等方面面临着诸多挑战，尤其是缺乏一个具有偏振智能适应能力的新型器件。从生物学角度来看，视觉适应能使智能生命在不断变化的环境中更好感知外部信号，从而避免潜在伤害。因此，从底层概念出发，探索具有偏振适应能力的新原理器件对于智能光电系统的研发具有重要意义。

针对上述问题，中南大学物理与电子学院蒋杰、何军与南京大学化学化工学院赵伟伟等人合作提出了一种基于多孔金属有机框架/二维ReS₂异质结光电晶体管的偏振视觉适应器件概念，成功实现了一系列重要的可调偏振适应行为。相关工作近日以“Porous Metal-organic-framework/ReS₂ Heterojunction Phototransistor for Polarization-sensitive Visual Adaptation Emulation”为题，于近期在线发表于著名期刊 Advanced Materials 上。

UiO-66-NH₂（U6N）作为经典金属有机骨架（MOF）材料，不仅具高孔隙率、大比表面积以及孔径可调等特性，还具有优异的热/化学稳定性和有趣的半导体特性。U6N的多孔MOF结构能为生物离子运动提供有效通道，建立起电子器件与生命活动之间的直接联系，同时在偏振敏感适应行为的仿生模拟方面也具有重要价值（如图1所示）。

图1. 多孔异质结光电晶体管制备与表征

有鉴于此，本文构建了一个基于多孔U6N和各向异性ReS₂的异质结光电晶体管。相关研究结果表明：该新型光电器件具有显著的偏振敏感视觉适应特性。进一步深入分析，这种现象主要归因于ReS₂的各向异性晶体结构和U6N/ReS₂异质结界面的电荷捕获-脱陷行为（如图2所示）。

图2. 多孔异质结器件电学特性与适应机制

通过对比有无U6N的ReS₂突触器件性能，发现U6N/ReS₂异质结突触器件比纯ReS₂突触器件具有更高的后兴奋性突触电流（EPSC）偏振响应。此外，得益于U6N的多孔结构，U6N/ReS₂异质结突触器件还显示出更高的二向色性比（如图3所示）。

图3. 偏振感知神经形态行为

与此同时，研究人员基于生物适应行为的深入研究，利用多孔U6N/ ReS₂异质结光电晶体管还成功实现了可重构的偏振感知适应行为（如图4所示）。最后，基于偏振光-电协同刺激策略，进一步实现了具有底栅调控和环境依赖的偏振敏感视觉适应行为（如图5所示）。这些结果不仅有利于新原理半导体器件的开发，而且为偏振视觉感知系统的进一步应用提供了一个全新思路。

图4. 可重构的感觉适应

图5. 偏振敏感的视觉适应

中南大学物理与电子学院博士生谢叮咚为论文第一作者；中南大学物理与电子学院蒋杰副教授，何军教授和南京大学化学化工学院赵伟伟教授为论文的共同通讯作者。特别感谢湖南大学机械与运载工程学院段辉高教授团队在器件微纳加工方面的支持；中南大学物理与电子学院阳军亮教授、黄寒教授、方梅副教授在器件表面分析方面的支持；华东师范大学物理与电子科学学院田博博教授在材料表征方面的支持。该工作得到了国家自然科学基金项目（No. 52172169）的支持。

论文信息：

Porous Heterojunction Phototransistor with Anisotropic 2D-ReS₂/Metal-Organic-Framework for Polarization-sensitive Visual Adaptation Emulation.Advanced Materials, 2023, DOI: 10.1002/adma.202212118

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