同時(shí)實(shí)現(xiàn)突觸和光學(xué)傳感功能來構(gòu)筑視覺神經(jīng)突觸器件

當(dāng)前突觸器件的研究大部分集中在證明器件在模擬突觸動(dòng)力學(xué)方面的潛力，而不是進(jìn)一步的功能化突觸器件以進(jìn)行更復(fù)雜的學(xué)習(xí)。在這里，我們在h-BN/WSe2異質(zhì)結(jié)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)突觸和光學(xué)傳感功能來構(gòu)筑視覺神經(jīng)突觸器件。在視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，該器件可以模仿人類視覺系統(tǒng)的彩色和顏色混合模式識別功能。

我們的突觸器件展示了接近線性的權(quán)重更新軌跡，同時(shí)提供大量變化幅值小于1%的穩(wěn)定傳導(dǎo)狀態(tài)。該器件采用 0.3 V 的低電壓尖峰工作模式，每個(gè)尖峰消耗的能量僅為66 fJ。因此，這有助于演示準(zhǔn)確且節(jié)能的彩色和混色模式識別。這項(xiàng)工作將是邁向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（包括神經(jīng)傳感和訓(xùn)練功能）的重要一步，可用于更復(fù)雜的模式識別。

以前的研究都沒有試圖將突觸功能之外的設(shè)備功能化，例如，通過將它們與生物識別傳感元素（如視覺，聽覺和嗅覺傳感器）合并?，F(xiàn)有工作只證明了大腦皮層中的與二元或灰度MNIST（修改后的國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）數(shù)據(jù)集的信號處理過程。

突觸器件與生物特征傳感元件的功能集成有望為構(gòu)成神經(jīng)傳感和訓(xùn)練功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)提供新的機(jī)會，從而能夠?qū)?fù)雜（例如，顏色混合和語音混合）模式執(zhí)行高能效的模式識別任務(wù)。在本文中，我們演示了一種具有突觸和光學(xué)傳感功能的視覺神經(jīng)突觸（ONS）器件。

該ONS器件是在范德華 （vdW） 異質(zhì)結(jié)構(gòu)（h-BN/WSe2）上制造的，它不具有界面缺陷，因此允許調(diào)節(jié)許多界面陷阱以實(shí)現(xiàn)突觸功能。通過這些ONS器件形成的視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ONN），模擬了人類視覺系統(tǒng)的彩色和混色模式識別能力。文中把突觸器件與迄今為止報(bào)道的其他器件進(jìn)行了比較（見附表1），特別是在權(quán)重更新線性度、可用傳導(dǎo)狀態(tài)數(shù)、每種狀態(tài)的穩(wěn)定性和能效方面。

由于在較短的波長下會發(fā)生更多的光學(xué)吸收，因此較短的光波長會在恒定的漏極偏置下降低光學(xué)傳感設(shè)備的電阻。這種電阻的降低意味著WSe2中產(chǎn)生更多的載流子，此時(shí)WCL中捕獲的載流子密度增加。這隨后允許根據(jù)光波長條件調(diào)整ONS器件的突觸動(dòng)態(tài)特性。

在這里，光學(xué)傳感器件和突觸器件是在同一個(gè)h-BN / WSe2上制造的，這樣做是為了使光學(xué)感器件具有適當(dāng)?shù)拇?lián)電阻，與突觸器件的串聯(lián)電阻相當(dāng)，并且能夠改變突觸特性。如果光學(xué)傳感器件與突觸器件相比具有過大或過小的電阻值，則光學(xué)傳感器件中通過調(diào)整照明條件進(jìn)行的電阻控制將不利于改變ONS器件的突觸特性。

圖1 集成h-BN/WSe2視覺神經(jīng)突觸器件。a. 人體視覺神經(jīng)系統(tǒng)示意圖，集成了h-BN/WSe2光電探測器的h-BN/WSe2的突觸器件，以及ONS器件的簡化電路。這里的光源是點(diǎn)激光器，波長為655 nm（紅色），532 nm（綠色）和405 nm（藍(lán)色），所有波長的固定功率密度（P）均為6 mW cm?2。b. 不同光照條件（無光照和 RGB）下的 ONS 器件h-BN/WSe2的興奮性和抑制性突觸后電流特征及提取的電導(dǎo)變化。c. 不同光照條件下的長期增強(qiáng)和抑制曲線，其中使用振幅為0.3 V的輸入脈沖控制突觸器件。 d、e不同波長下提取的非線性幅度（d）和有效電導(dǎo)狀態(tài)數(shù)（e）。

實(shí)現(xiàn)這種突觸器件的第一步是在h-BN頂部創(chuàng)建一個(gè)電荷捕獲層，用于調(diào)整WSe2通道電導(dǎo)率。通過在 h-BN 上用氧等離子體處理形成 WCL，可以實(shí)現(xiàn)vdW突觸器件，如圖2a所示。在突觸前和突觸后端子之間的電流中觀察到遲滯特性，這取決于施加到突觸間隙端子的電壓（VSCT).發(fā)生這種情況是因?yàn)楸焕г?WCL 中的電荷部分屏蔽VSCT從而影響流經(jīng)突觸器件的電流。

圖2 h-BN/WSe2突觸器件的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制。a. 合成WSe2/WCL/h-BN突觸器件和生物突觸的功能/結(jié)構(gòu)/結(jié)構(gòu)比較。b. WSe2/WCL/h-BN結(jié)構(gòu)的X-TEM圖像。

c/d. 在WSe2/WCL/h-BN結(jié)構(gòu)的橫截面上獲得的EELS（c）和EDS（d）映射圖像。e. 脈沖振幅為0.1V和1V后的電流弛豫曲線，以及脈沖后1s快陷阱和慢陷阱中未恢復(fù)電子的貢獻(xiàn)率。f. 脈沖后以及快速陷阱中載流子去陷后的能帶圖。g. 突觸后電導(dǎo)的變化和作為氧等離子體處理時(shí)間的函數(shù)測量的開關(guān)能量。這里，所有Vpulse的持續(xù)時(shí)間為10 ms。

圖3 h-BN/WSe2突觸器件的突觸可塑性。a. 不同振幅（0.3 V、0.5 V或1 V）輸入脈沖的長期增強(qiáng)和抑制特性。b. 有效電導(dǎo)狀態(tài)數(shù)以及當(dāng)在每個(gè)增強(qiáng)和降低中施加600個(gè)脈沖時(shí)的LTP/LTD曲線。c 電導(dǎo)狀態(tài)的穩(wěn)定性，變化小于1%。d. 在h-BN/WSe2突觸器件中獲得的峰值時(shí)間相關(guān)可塑性。尖峰前和尖峰后電壓分別向突觸前和SCT施加。

圖4基于人工光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的彩色和混色模式識別。a. 一種用于識別28×28 RGB圖像的ONN。b. 分別由彩色和混色數(shù)字圖案圖像組成的訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)集的示例。c. 識別率是訓(xùn)練時(shí)期數(shù)的函數(shù)。d. 第12個(gè)和第600個(gè)訓(xùn)練時(shí)期之后的權(quán)重映射圖像。e. 在第600個(gè)訓(xùn)練時(shí)期之后的彩色數(shù)（藍(lán)色4）和混色數(shù)（紅色/綠色混合4）的情況下，每個(gè)輸出神經(jīng)元的激活值。

審核編輯：劉清