石墨炔(GDY)由于其獨特的結構和優異的性能，正成為一種具有廣闊應用前景的材料。然而，GDY在電子學和光電子學中的應用仍處于初級階段，主要是由于用于可擴展應用的大面積、均勻的GDY薄膜的合成面臨巨大的挑戰。本文提出了一種改進的范德華外延方法，直接在石墨烯(Gr)表面合成均勻度高、厚度可控的晶片級GDY薄膜，為構建大規模GDY/Gr-基光電突觸陣列提供了理想的平臺。實現了基本的突觸行為，線性和對稱的電導率更新特性促使圖像識別的神經形態計算具有較高的準確性和較強的容錯性。包括“NAND”和“NOR”在內的邏輯函數集成到突觸中，可以通過光路執行。此外，構建了可視化信息感知-記憶-處理系統，實現實時圖像采集、原位圖像記憶和識別任務，避免了傳統視覺系統中因數據轉換和傳輸而造成的時間延遲和能量消耗。這些結果突出了GDY在神經形態計算和人工視覺系統應用中的潛力。
圖1. 晶片級GDY/Gr異質結構表征。SiO
2/Si基底上晶片級GDY/Gr異質結構的(a)照片和(b) OM圖像。比例尺:50 μm。(c) GDY/Gr薄膜的SEM圖像。比例尺:30 μm。(d)由單層石墨烯和三層GDY組成的厚度約為1.36 nm的GDY/Gr薄膜的AFM圖像。比例尺:1 μm。(e) GDY/Gr薄膜的SAED圖。(f) GDY域的HRTEM圖像。比例尺:10nm。(g) SiO
2/Si基底上GDY/Gr(粉色)和原始石墨烯薄膜(綠色)的拉曼光譜。(h) C 1s的高分辨率XPS圖像。
圖2. GDY/Gr-基突觸晶體管的光電特性。(a)GDY/ Gr-基晶體管及其OM圖像的示意圖。在石墨烯和SiO
2/Si基底之間嵌入OTMS層。“S”和“D”代表源極和漏極。該器件的寬度為50 μm，長度為10 μm。比例尺:20 μm。(b)在SiO
2/Si晶片上的14x15 GDY/ Gr-基晶體管陣列照片。(c) V
bg從-70 V掃至70 V再回到-70 V時的器件傳遞曲線。(d)器件在不同功率光輻射(450 nm)下的傳輸特性。(e)狄拉克點(ΔV，紅色)的水平位移和相應的響應度(R，藍色)作為有效照明功率的函數。在0.01 V的偏置電壓下測量通道電流。
圖3. GDY/Gr-基光電突觸的突觸可塑性。(a)生物突觸示意圖(左)和GDY/Gr光電突觸簡化電路示意圖(右)。(b)分別為V
bg (20 V, 100 ms)和光脈沖(450 nm, 35 mW·cm
-2, 100 ms)觸發器件的EPSC和IPSC。(c)分別在電刺激和光刺激下器件的電荷捕獲/去捕獲過程和PPC效應的機制。(d)分別為由間隔200 ms的配對V
bg (15 V, 20 ms)和光脈沖(450 nm, 20 mW·cm
-2, 20 ms)觸發EPSC和IPCS。(e)分別為配對電脈沖(紅色)和光脈沖(藍色)觸發的器件PPF-Δt曲線。(f) EPSC(紅色)和IPSC(藍色)分別為電/光脈沖數的函數。(g)不同頻率時20個連續電/光脈沖觸發的頻率相關的EPSC(紅色)和IPSC(藍色)曲線。(h)味覺厭惡學習的實驗。分別用V
bg峰(15 V, 20 ms, 1 Hz)和光學峰(450 nm, 20 mW·cm
-2, 20 ms, 1 Hz)模擬飲酒和服用依米丁。在V
ds = 0.01 V時測量通道電流。
圖4. GDY/Gr-基突觸參數的神經形態計算模擬。(a)用于神經形態計算的權重更新中設備的LTP/LTD特性。100個連續增強的V
bg峰(10 V, 10 ms)之后是100個連續減弱的光學峰(450 nm, 13 mW·cm
-2, 10 ms)。(b)器件到器件的非線性分布(β
P和β
D)和最低/最高電導狀態(G
min和G
max)。(b)中的統計分析來自200個設備的權重更新特性。(c)用于識別像素為28x28的手寫數字的CNN示意圖。(d) 測試圖像的噪聲比從0到90%。(e) 無噪聲像素為28 × 28的手寫數字圖像的識別精度隨訓練周期的變化。(f)網絡對不同噪聲比時手寫數字的識別精度。(g)經過40個訓練周期后，識別精度與噪聲像素比例(0-90%)的關系。
圖5. 用于GDY/Gr突觸晶體管的二進制光輸入驅動邏輯函數。(a)一個GDY/Gr突觸晶體管獲得的軸突多突觸網絡示意圖。(b)和(c)分別利用R+G和B+UV組合的二進制光輸入實現“NAND”和“NOR”邏輯運算。
圖6. 基于GDY/Gr突觸陣列的圖像識別視覺信息感知-記憶-處理系統。(a)用于圖像傳感、記憶和處理的人類視覺系統示意圖。(b)GDY/Gr突觸陣列7x6面板的SEM圖像。比例尺分別為300 μm和25 μm。(c)和(d)參考圖像“G”分別與未知圖像1(“D”)和2(“G”)的區別。給出了7x6突觸陣列在三種不同狀態下的電導。將100個間隔為50 ms的連續光脈沖(10 mW·cm
-2, 10 ms)施加到相應的器件上輸入圖像。測量使用的柵電壓為20 V，漏極電壓為0.01 V。
相關研究成果由天津理工大學材料科學與工程學院、新能源材料與低碳技術研究院、“材料微結構”教育部國際合作聯合實驗室Zhi-Cheng Zhang等人于2021年發表在Nano Research(https://doi.org/10.1007/s12274-021-3381-4)上。原文：Synthesis of wafer-scale graphdiyne/graphene heterostructure for scalable neuromorphic computing and artificial visual systems。
轉自《石墨烯研究》公眾號
.jpg)
