負光電導與憶阻態協同：鈣鈦礦光電突觸的創新突破

    在當今科技飛速發展的時代，神經形態計算系統的研究正逐漸成為科技領域的熱點。受人腦視覺感知系統的啟發，集成了光學感知、存儲和信號處理功能的光電人工突觸器件，被視為神經形態計算系統發展的關鍵。而憶阻器，以其精準可控的阻變存儲特性，被認為是模擬生物突觸功能的有效手段。如今，一項創新性的研究為我們帶來了新的希望，鄭州大學史志鋒教授團隊聯合北京理工大學李營副教授，提出了一種基于新型鈣鈦礦Cs2CoCl4單晶的雙端光電突觸器件，其兼具負光電導響應和阻變存儲特性，為發展新型人工光電突觸提供了全新的思路。

    一、研究背景：神經形態計算的探索

    神經元和突觸作為類腦計算的基礎，是人類大腦進行信息處理和記憶的兩個基本單元，共同構成了神經形態計算網絡。類突觸器件作為神經形態計算系統的重要組成部分，利用光電雙調制模式，結合光子學與電子學各自的優勢，在新一代神經形態計算領域中逐漸嶄露頭角。然而，當前大多數光電突觸器件主要利用光學材料的正光電導響應特性，由于飽和光電流的限制以及弱光探測能力的不足，其在一些特殊的使用場景中受到了阻礙。負光電導效應通常表現為材料電導率在光照下的顯著減小，這種變化往往比正光電導效應更為明顯。基于負光電導效應的光電器件通常具有較高的靈敏度，能夠更準確地探測到微弱的光信號變化，利用負光電導效應可以實現高對比度的圖像傳感，提高成像質量和準確率，有利于增強人工視覺系統對圖像的處理能力和識別功能。因此，開發具有負光電導效應的人工光電突觸器件，對未來構建先進的視覺神經形態計算系統具有重要的意義。

    二、研究亮點：鈣鈦礦光電突觸的創新

    鄭州大學史志鋒教授團隊開發出的新型鈣鈦礦Cs2CoCl4單晶材料，同時具有負光電導響應和阻變存儲特性，這一發現為光電突觸器件的研究帶來了重大突破。通過設計多層垂直結構（ITO/Cs2CoCl4/Cu）的光電器件，在光學和電學工作模式下都獲得了優異的器件性能。該器件在寬波段（265?780nm）光照下表現出特殊的負光電導響應，并且具有優異的光探測能力，其響應度和比探測率分別達到了?18.3mAW-1和2.7×10^12Jones。理論計算和實驗分析證明，Cs2CoCl4本征的銫空位缺陷（VCs）自發捕獲光生載流子，產生帶負電的激子與帶正電的氯空位（VCl）形成與外加電場方向相反的內建電場，導致負光電導響應。同時，該器件還表現出易失性阻變特性，在較小電場強度下（5×10^4Vm-1）實現了高達10^4的開關比，并表現出高循環穩定性。電學測試表明，該憶阻器的阻變機理歸因于金屬陽離子和鹵素空位遷移形成的導電細絲。

    更令人振奮的是，研究人員通過集成阻變存儲性質的電脈沖增強和負光電導性質的光脈沖抑制特性，成功實現了電寫入和光擦除的人工光電突觸，并模擬了生物突觸的多種功能，包括長時程增強（LTP）、長時程抑制（LTD）和雙脈沖易化（PPF）等。基于人工神經網絡算法的仿真，所設計的光電突觸器件成功實現了手寫體數字圖像的高精度識別應用，這一成果不僅展示了鈣鈦礦光電突觸器件在圖像識別領域的巨大潛力，也為未來神經形態計算系統的發展提供了新的方向。

    三、實驗與理論分析：深入探究協同機制

    為了深入理解鈣鈦礦光電突觸器件的性能和機制，研究人員進行了詳細的實驗和理論分析。通過水熱法成功制備出高質量大尺寸（1.3cm×1.1cm）鈣鈦礦Cs2CoCl4單晶，為器件的制備提供了高質量的材料基礎。基于Cs2CoCl4單晶，設計并制備出結構為ITO/Cs2CoCl4/Cu的垂直結構光電器件，這一結構設計充分發揮了材料的光電特性，實現了優異的器件性能。

    在負光電導響應機制方面，理論計算和實驗分析證明，Cs2CoCl4本征的銫空位缺陷（VCs）自發捕獲光生載流子，產生帶負電的激子與帶正電的氯空位（VCl）形成與外加電場方向相反的內建電場，從而導致負光電導響應。這一發現不僅揭示了材料的光電特性，也為負光電導效應在光電突觸器件中的應用提供了理論支持。

    在阻變存儲機理方面，電學測試表明，該憶阻器的阻變機理歸因于金屬陽離子和鹵素空位遷移形成的導電細絲。這一機理的揭示，有助于我們更好地理解器件的存儲特性，為優化器件性能提供了重要的參考。

    史志鋒教授團隊提出的負光電導效應和憶阻態協同的鈣鈦礦人工光電突觸模型，通過詳細的實驗和理論分析，證實了負光電導效應、阻變機理以及協同工作的機制。成功使用該突觸單元構建的具有圖像識別功能的人工視網膜，不僅展示了其在神經形態計算領域的應用潛力，也為光電子學和人工智能技術的發展提供了新的思路。未來，隨著研究的不斷深入和技術的不斷進步，鈣鈦礦光電突觸器件有望在更廣泛的領域得到應用，為智能科技的發展開啟新的篇章。