Photonische synaptische Transistoren mit neuer Elektroneneinfangschicht für hohe Leistung und Ultra

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12583 (2023) Diesen Artikel zitieren

Details zu den Metriken

Photonische synaptische Transistoren werden auf ihre potenziellen Anwendungen im neuromorphen Computing und in künstlichen Sehsystemen untersucht. Kürzlich hat eine Methode zur Etablierung eines synaptischen Effekts durch Verhinderung der Rekombination von Elektron-Loch-Paaren durch Bildung einer Energiebarriere mit einer Doppelschicht, bestehend aus einem Kanal und einer Lichtabsorptionsschicht, wirksame Ergebnisse gezeigt. Wir berichten über ein dreischichtiges Bauelement, das durch Auftragen einer neuartigen Elektroneneinfangschicht zwischen der Lichtabsorptionsschicht und der Gate-Isolierschicht entsteht. Im Vergleich zur herkömmlichen doppelschichtigen photonischen Synapsenstruktur reduziert unser dreischichtiges Gerät die Rekombinationsrate erheblich, was zu einer verbesserten Leistung in Bezug auf den Ausgangsfotostrom und die Speichereigenschaften führt. Darüber hinaus verfügt unser photonischer synaptischer Transistor über hervorragende synaptische Eigenschaften wie Paired-Pulse-Facilitation (PPF), Kurzzeitpotenzierung (STP) und Langzeitpotenzierung (LTP) und zeigt eine gute Reaktion auf eine niedrige Betriebsspannung von − 0,1 mV. Das Experiment mit geringem Stromverbrauch zeigt einen sehr geringen Energieverbrauch von 0,01375 fJ pro Spitze. Diese Ergebnisse legen einen Weg nahe, die Leistung zukünftiger neuromorpher Geräte und künstlicher Sehsysteme zu verbessern.

Die traditionelle von Neumann-Methode ist für die Verarbeitung großer Mengen sofort generierter und sich zufällig bewegender Informationen ungeeignet, da sie serielle und sequentielle Berechnungen über einen einzigen Kanal durchführt. Bei dieser herkömmlichen Methode kann die Verarbeitung großer Datenmengen zu Verzögerungen und Ausfällen, sogenannten von-Neumann-Engpässen, und einem erheblichen Energieverbrauch führen1,2. Daher haben sich Forscher auf das menschliche Gehirn konzentriert, das hochintegriert ist und Informationen schnell und effizient verarbeiten kann. Ein einzelnes synaptisches Ereignis im menschlichen Gehirn verbraucht sehr wenig Energie von etwa 10 fJ3. Gehirnnachahmung und neuromorphe synaptische Geräte waren in jüngster Zeit von Interesse, und verschiedene Low-Power-Methoden, die die Plastizitätseigenschaft nutzen, wurden veröffentlicht4,5.

Organische synaptische Geräte sind aufgrund ihres geringen Gewichts, der großflächigen Verarbeitung sowie der einfachen und kostengünstigen Herstellung attraktiv6,7. Im Allgemeinen wurden bei Geräten, die einen spannungsgesteuerten organischen Feldeffekttransistor (FET) verwenden, bei dem das Gate durch ein elektrisches Potenzial moduliert wird, synaptische Eigenschaften mithilfe von Ionen implementiert, die sich langsam im Elektrolyten bewegen. Mithilfe dieser Eigenschaften wurden verschiedene hochfunktionale Geräte oder Systeme implementiert4,8,9. Unter Verwendung einer ferroelektrischen Schicht oder eines Ionengels wurde ein künstliches taktiles System mit einem Hautsensor entwickelt10,11. Kim et al. berichteten über einen künstlichen afferenten Nerv durch die Kombination eines Drucksensors und eines Ionengels7.

Kürzlich wurde über photonische synaptische Geräte berichtet, zusätzlich zu Transistoren, die synaptische Eigenschaften mithilfe der Gate-Spannung implementieren6,12,13,14,15. Im Vergleich zur spannungsgesteuerten Methode können photonische synaptische Geräte eine große Bandbreite, eine schnelle Übertragungsgeschwindigkeit und einen geringen Stromverbrauch aufweisen16. Diese photonischen Synapsenelemente können auch künstliches Sehen verkörpern. Wenn das menschliche Auge visuelle Informationen empfängt, wandeln die Photorezeptoren in der Netzhaut Licht in elektrische Impulse um, die über Nerven an die Gehirnregion weitergeleitet werden, die Bilder erstellt und speichert. In einem künstlichen Sehsystem erkennt das Gerät Licht und wandelt es in ein elektrisches Signal um, um Lichtinformationen zu erzeugen und zu speichern17. Der photonische Synapsentransistor wandelt ein optisches Signal schnell in ein elektrisches Signal um und weist gleichzeitig hervorragende Eigenschaften zur Informationsspeicherung auf; Daher hat es in letzter Zeit als Gerät zum Aufbau eines künstlichen Sehsystems Aufmerksamkeit erregt18.

Als Lichtabsorptionsschichten werden viele Materialien wie organische Halbleiter18, Perowskite19 und umweltfreundliche Biomaterialien20 verwendet. Unter diesen verwendeten wir einen anorganischen Halogenidperowskit (CsPbBr3), ein Halbleitermaterial mit hexagonaler Struktur12. Da Perowskite über eine hohe photoelektrische Effizienz verfügen, ziehen sie die Aufmerksamkeit für optische Geräte wie Solarzellen21 und Fotodetektoren22 auf sich. Allerdings sind sie sehr anfällig für Feuchtigkeit und ihre photoelektrische Effizienz nimmt erheblich ab, wenn sie längere Zeit der Atmosphäre ausgesetzt sind23. In dieser Hinsicht weist CsPbBr3 aus anorganischen Materialien eine bessere Stabilität auf als andere organisch-anorganische Perowskite24.

Die meisten lichtgesteuerten organischen synaptischen Geräte bestehen aus einer Doppelschicht, die aus einem Kanal und einer Lichtabsorptionsschicht besteht. Wenn die Lichtabsorptionsschicht Photonen absorbiert und ein Elektron-Loch-Paar erzeugt, wird jeder Kanal und jede Lichtabsorptionsschicht von Löchern bzw. Elektronen dominiert. Die durch die unterschiedlichen Energieniveaus jeder Schicht verursachte Energiebarriere verhindert die Rekombination von Elektronen und Löchern, was zu synaptischen Phänomenen führt, bei denen der Drain-Strom fließt, nachdem die Lichtbeleuchtung ausgeschaltet wird12,14. Die meisten Doppelschichtgeräte schneiden jedoch hinsichtlich des Ausgangsstroms und des „Energieverbrauchs pro Spitze“ schlecht ab, was wichtige Parameter zur Messung der Leistung synaptischer Geräte sind.

In dieser Arbeit haben wir die Photoreaktivitäts- und Energieverbrauchseigenschaften im Vergleich zu denen des doppelschichtigen Geräts dramatisch verbessert, indem wir ein dreischichtiges Gerät implementiert haben, in dem eine neue Elektroneneinfangschicht (NETL) eingesetzt wird. Das Dreischichtgerät mit einem NETL verringert die Elektron-Loch-Rekombinationsrate im Vergleich zu einem Doppelschichtgerät. Diese Verbesserung erhöht die Trägerlebensdauer, was wiederum zu einer Erhöhung der Kanalleitfähigkeit beiträgt.

Wir verwendeten 6,13-Bis(triisopropylsilylethinyl)pentacen (TIPS-Pentacen oder einfach TIPS), ein organisches Halbleitermaterial vom p-Typ, als Kanalschicht und CsPbBr3 als Lichtabsorptionsschicht12. SnO2 wurde als NETL verwendet, weil es einfach herzustellen ist, über ein Valenzbandniveau verfügt, das in Verbindung mit CsPbBr3 eine Energiebarriere zum Einfangen von Elektronen bilden kann, und eine glatte Dünnschichtoberfläche bietet25,26.

In diesem Artikel wird eine Methode vorgestellt, mit der sich sehr schwaches Licht erkennen lässt. Der Ansatz weist eine höhere Lichtempfindlichkeit auf als die zuvor für verschiedene photonische synaptische Perowskitsysteme berichteten.

0,3 M CsPbBr3 wurde durch Auflösen von PbBr2 (> = 98 %, Sigma-Aldrich) und CsBr (99,999 %, Sigma-Aldrich) in Dimethylsulfoxid (DMSO, 99,8 %, SAMCHUN) hergestellt. TIPS wurde durch Auflösen von 10 mg 6,13-Bis(triisopropylsilylethinyl)pentacen (> 99 %, TCI) und 10 mg Polystyrol (Sigma-Aldrich) in 1 ml Monochlorbenzol (> 99,7 %, DAEJUNG) hergestellt. Das SnO2 wurde durch Verdünnen der kolloidalen SnO2-Lösung (15 % in kolloidaler H2O-Dispersion, Thermo Scientific) mit entionisiertem Wasser auf eine Endkonzentration von 5 % hergestellt.

Als Substrat wurde stark dotiertes n-Typ-Silizium mit 100 nm SiO2 verwendet. Um ein sauberes Substrat vorzubereiten, wurde das Substrat 10 Minuten lang mit Ultraschall in der Reihenfolge Aceton, Isopropylalkohol und entionisiertes Wasser behandelt. O2-Plasma wurde 5 Minuten lang auf das Substrat aufgebracht. Als nächstes wurde die vorbereitete kolloidale SnO2-Lösung auf das Substrat getropft und 30 s lang bei 3000 U/min schleuderbeschichtet, gefolgt von einem 30-minütigen Tempern bei 150 °C. Als nächstes wurde die CsPbBr3-Lösung 60 s lang bei 4000 U/min auf SnO2 aufgeschleudert. Die Probe wurde in eine Vakuumpumpe gegeben, um das Lösungsmittel zu entfernen12. Anschließend wurde die TIPS-Lösung 10 s lang bei 1000 U/min auf die Perowskitschicht aufgeschleudert und 10 min lang bei 100 °C getempert. Abschließend wurden 50 nm Au thermisch verdampft, um Source- und Drain-Elektroden mit einer Kanalbreite von 1000 μm und einer Länge von 50 μm zu bilden. Eine vereinfachte bildliche Darstellung dieses Herstellungsprozesses ist in Abb. 1 dargestellt.

Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses des dreischichtigen photonischen synaptischen Transistors. Der Prozess beginnt mit der SnO2-Schleuderbeschichtung, gefolgt von der aufeinanderfolgenden Schleuderbeschichtung von CsPbBr3 und TIPS und schließlich der Strukturierung der Au-Elektrode.

Elektrische Messungen wurden in einer Umgebungsatmosphäre mit einem Keithley 4200-SCS-Halbleiterparameteranalysator durchgeführt, um die synaptische Leistung des Geräts zu messen. Für die lichtabhängigen Experimente wurden die Messungen unter dunklen Bedingungen durchgeführt, um Störungen durch Umgebungslicht zu vermeiden. UV-Vis-Absorptionsmessungen wurden mit einem JASCO V-750-Spektrophotometer durchgeführt. Das optische Mikroskopbild des Geräts wurde mit einem Olympus BX51-Mikroskop beobachtet, und die Nanobilder wurden mit einem JSM-7100F FE-SEM beobachtet.

Das Verständnis der biologischen synaptischen Mechanismen, die auf der linken Seite von Abb. 2a dargestellt sind, ist bei der Entwicklung eines neuromorphen Systems hilfreich. Synapsen sind Verbindungen zwischen Neuronen, die Informationen vom präsynaptischen zum postsynaptischen Neuron austauschen13,27. Als Reaktion auf äußere Reize binden Neurotransmitter an die Rezeptoren postsynaptischer Neuronen, indem sie postsynaptische Ströme erzeugen. Die rechte Seite von Abb. 2a zeigt das vorgeschlagene photonische synaptische Gerät, das diesen biologischen Prozess nachahmt. Der externe Input wird als Lichtspitze definiert, und der erhöhte Drainstrom wird als erregender postsynaptischer Strom (EPSC) definiert, der für die Erfassung, Übertragung und Speicherung von Daten in synaptischen Geräten von entscheidender Bedeutung ist28.

(a) Schematische Darstellung der biologischen Synapse und unseres photonischen synaptischen Transistors. (b) Energiebanddiagramm des CsPbBr3/TIPS-Doppelschichtgeräts. (c) Energiebanddiagramm des SnO2/CsPbBr3/TIPS-Dreischichtgeräts.

In Abb. 2b und c sind Energiebanddiagramme dargestellt, um zu beschreiben, wie photonische synaptische Geräte in Doppel- bzw. Dreifachschichten funktionieren, wobei zwischen den Schichten treppenförmige Energiebarrieren gebildet werden. Elektron-Loch-Paare werden im CsPbBr3-Perowskit erzeugt, wenn Licht den photonischen synaptischen Transistor beleuchtet. In der in Abb. 2b gezeigten Doppelschichtvorrichtung gelangen die Löcher aufgrund der eingebauten Potentialvorspannung12 zur TIPS-Schicht. Allerdings können Elektronen aufgrund der Barriere, die durch das Leitungsband (CB) von CsPbBr3 mit dem niedrigsten unbesetzten Molekülorbitalniveau (LUMO) des TIPS erzeugt wird, nicht leicht passieren. Selbst wenn das Licht ausgeschaltet ist, wird die Rekombination mit Löchern verhindert, da Elektronen in CsPbBr3 gefangen sind, und der Strom fließt weiter. Allerdings ist in der Doppelschichtstruktur die Barriere nicht groß genug, um eine Rekombination für längere Zeit zu verhindern, sodass die in CsPbBr3 gefangenen Elektronen schnell mit den Löchern rekombinieren und kein Kanalstrom fließt. Im Unterschied zum Doppelschichtgerät werden beim SnO2/CsPbBr3/TIPS-Dreischichtgerät die fotogenerierten Elektronen auf die SnO2-Schicht und nicht auf die CsPbBr3-Schicht geleitet. Währenddessen wandern die Löcher zu den TIPS, ähnlich wie bei der Doppelschichtstruktur. Bei diesem Prozess erhöhen sich der physikalische Abstand und die Energiebarriere zwischen Elektronen und Löchern im Vergleich zum Doppelschichtgerät. Diese Vergrößerung des Abstands und der Energiebarriere ist analog zur Verwendung von Elektronen- und Lochtransportschichten in der Solarzellenforschung29. Aufgrund der geringeren Rekombinationsrate in der Dreischichtstruktur im Vergleich zur Doppelschichtstruktur erhöht sich daher die Anzahl der Löcher, die zum Kanal und zur Trägerlebensdauer beitragen. Mithilfe dieser Energiebandtechnik weisen die Dreischichtstrukturen eine verbesserte optische Reaktionsfähigkeit auf.

Ein Querschnitt des hergestellten dreischichtigen synaptischen Transistors ist in Abb. 3a dargestellt. Das Gerät wurde mit Ausnahme der Goldelektrode im Lösungsverfahren hergestellt. Zunächst wurde SnO2 durch Schleuderbeschichtung auf das Si/SiO2-Substrat aufgetragen. Anschließend wurde eine CsPbBr3-Lösung, hergestellt durch Mischen von CsBr und PbBr2 im Molverhältnis 1:1, durch Schleuderbeschichtung auf SnO2 aufgetragen, was eine CsPbBr3-Schicht mit einer Dicke von etwa 60 nm ergab. Die Dicke wurde mit Bedacht gewählt, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Lichtabsorption, Ladungsträgertransport und Kompatibilität mit der Geräteskalierung zu erreichen. Nach der Abscheidung der CsPbBr3-Schicht wurde TIPS schleuderbeschichtet und anschließend wurden die Source/Drain-Elektroden thermisch abgeschieden. Wie auf der rechten Seite von Abb. 3a gezeigt, zeigt SnO2-beschichtetes SiO2 eine sehr homogene Morphologie25,26. Im Gegensatz dazu weisen CsPbBr3-Perowskitkristalle dispergierte inselförmige Körner auf. Eine Struktur mit weniger Korngrenzen ist vorteilhaft für die Verhinderung der Ionenmigration und verursacht einen Gate-Field-Screening-Effekt im Perowskit30, da die Ioneneinwanderung an der Korngrenze und nicht am Korn erfolgt. Darüber hinaus reagieren Perowskitkristalle empfindlich auf schwaches Licht12. Weitere Details zum Herstellungsprozess finden Sie im experimentellen Abschnitt.

(a) Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-SEM)-Querschnittsbild einer dreischichtigen Vorrichtung und Oberflächenbild von SnO2 und CsPbBr3. (b) Foto eines 5 × 4-Arrays eines Dreischichtgeräts. (c) Optisches Mikroskopbild der Source/Drain-Elektrode. (d) UV-Vis-Absorptionsspektren von SnO2-, TIPS-, CsPbBr3-, CsPbBr3/TIPS- bzw. SnO2/CsPbBr3/TIPS-Filmen.

Abbildung 3b und c zeigen ein Bild des hergestellten synaptischen Transistors. Die Kanallänge beträgt 50 µm und die Breite 1000 µm. Abbildung 3d zeigt die UV-Vis-Spektren von SnO2-, TIPS-, CsPbBr3-, CsPbBr3/TIPS- und SnO2/CsPbBr3/TIPS-Filmen. Die Absorption in SnO2 ist im Vergleich zu den anderen Filmen äußerst gering; Selbst wenn SnO2 zum CsPbBr3/TIPS-Film hinzugefügt wird, kommt es daher zu keiner signifikanten Änderung des Spitzenwerts und der Lichtabsorption16. Die Spitzenwerte der CsPbBr3/TIPS- und SnO2/CsPbBr3/TIPS-Filme ähneln denen des TIPS-Films bei 488 nm, was darauf hindeutet, dass TIPS die Spitzenwerte bestimmt. Da mit dem Licht der Wellenlänge, die dem Peak am nächsten liegt, eine hohe Photostromverstärkung erzielt werden kann20, haben wir für das Lichtbeleuchtungsexperiment die Wellenlänge mithilfe einer LED auf 450 nm festgelegt, um impulsive Spitzen auf dem Gerät zu erzeugen.

Abbildung 4a und b zeigen die Übertragungskurven der photonischen synaptischen Transistoren CsPbBr3/TIPS bzw. SnO2/CsPbBr3/TIPS, gemessen bei einer Drain-Spannung (Vd) von −40 V. Wenn Licht auf jeden photonischen synaptischen Transistor angewendet wird, verschiebt sich die Kurve in positiver Richtung aufgrund des Einflusses der fotogenerierten Elektron-Loch-Paare. Die Kurve bewegt sich nach rechts, je intensiver das Licht empfangen wird12. Dies zeigt, dass der Strom bei gleicher Gate-Spannung umso höher ist, je stärker das Licht ist. Bei der Messung des Speicherfensters, das die Änderung der Schwellenspannung bei heller Beleuchtung im Vergleich zum dunklen Zustand darstellt, zeigte das Doppelschichtgerät bei einer definierten Lichtintensität (Iop) von 0,635 μW/cm2 einen Wert von 38,9 V. Dieser Wert beträgt relativ hoch, insbesondere im Zusammenhang mit der vergleichsweise schwachen Lichtintensität von 0,635 μW/cm2, die in den Experimenten verwendet wurde. Das dreischichtige Bauelement zeigte jedoch ein deutlich verbessertes Speicherfenster von 51,3 V. Dies liegt daran, dass, wie oben beschrieben, mit der Hinzufügung der SnO2-Schicht die Anzahl der überlebenden Löcher aufgrund der zusätzlichen Rekombinationsbarriere zunahm.

(a) Übertragungskurven bei Dunkelheit und verschiedenen Beleuchtungsbedingungen für Doppelschicht- und (b) Dreischicht-Bauelemente.

Die synaptischen Eigenschaften photonischer synaptischer Transistoren können anhand der transienten Reaktion des Stroms auf Lichtbeleuchtung bewertet werden16. Abbildung 5a zeigt die Ansprechströme in den Doppel- und Dreischichtgeräten. Die Zeit (tlight) und die Intensität des beleuchteten Lichts betrugen 1 s bzw. 84 μW/cm2 bei Vd = − 1 V. Die Gate-Spannung (Vg) wurde auf 0 V festgelegt. Das Strominkrement (ΔEPSC) ist in dargestellt das Diagramm anstelle des Rohstromwerts, da die Massepegel der beiden Transistoren unterschiedlich sind: 0,035 nA für die Doppelschicht und 0,547 nA für die Dreischicht. EPSC-Peaks treten sowohl in den Doppelschicht- als auch in den Dreischichttransistoren während des Zeitraums auf, in dem Licht angelegt wird, aber ΔEPSC beträgt 1,309 nA im Dreischichtgerät, was 2,16-mal größer ist als 0,605 nA im Doppelschichtgerät. Diese Ergebnisse zeigen, dass die erhöhte Energiebarriere im Dreischichtgerät die Rekombination von Elektronen und Löchern wirksam hemmt.

(a) Darstellung der synaptischen Eigenschaften sowohl für doppelschichtige als auch für dreischichtige Geräte. (b) Reaktion von EPSC auf zwei aufeinanderfolgende Lichtspitzen im Doppelschichtgerät. (c) Reaktion von EPSC auf zwei aufeinanderfolgende Lichtspitzen im Dreischichtgerät. (d) Darstellung des PPF-Index als Funktion des Spike-Intervalls (Δt) für Doppelschicht- und Dreischicht-Geräte.

Wenn kontinuierlich eine Lichtspitze an den photonischen Synapsentransistor angelegt wird, übersteigt der von der zweiten Spitze (A2 in Abb. 5b und c) erzeugte Photostrom den von der ersten Spitze (A1 in Abb. 5b und c) erzeugten Photostrom. Dieses Phänomen ist als Paired-Pulse-Facilitation (PPF)13,31 bekannt und wird durch Gleichung definiert. (1):

Dieses Phänomen resultiert aus der synaptischen Plastizität, die den Strom weiter erhöht, wenn die zweite Spitze auftritt, bevor die von der ersten Spitze erzeugten Elektronen und Löcher vollständig rekombiniert sind. Das PPF-Experiment wurde bei tlight = 1 s und Iop = 84 μW/cm2 Intensität durchgeführt, und das Zeitintervall (Δt) zwischen den beiden Spitzen wurde von 1 bis 3 s variiert. Abbildung 5b und c zeigen die EPSC-Diagramme, die bei Δt = 1 s gemessen wurden und höhere EPSCs im Dreischichtgerät (Abb. 5c) als im Doppelschichtgerät (Abb. 5b) zeigen. Abbildung 5d zeigt den PPF-Index, gemessen bei verschiedenen Δt-Werten für die Doppel- und Dreischichtgeräte. In beiden Fällen nimmt das PPF-Verhältnis mit zunehmendem Δt schnell ab und konvergiert dann allmählich. Beim Doppelschichtgerät sinkt der PPF von 146,06 auf 107,25 %, während beim Dreischichtgerät von 176,35 auf 114,39 % abfällt. Das Dreischichtgerät weist bei Δt einen höheren PPF-Index auf als das Doppelschichtgerät. Aufgrund der größeren Energiebarriere des Dreischichtbauelements verbleibt das Loch länger im TIPS, bevor es mit dem Elektron rekombiniert, und somit verbleibt eine größere Anzahl von Ladungsträgern im Kanal, bis das zweite Licht eintrifft.

Analog dazu, wie wiederholte Informationen im menschlichen Gehirn besser gespeichert werden können, ist auch der Übergang von der Kurzzeitpotenzierung (STP) zur Langzeitpotenzierung (LTP) bei längerer und stärkerer Reizung ein wichtiges Merkmal synaptischer Geräte10. In Abb. 6a und b können Veränderungen im EPSC entsprechend der Spitzenbreite des Lichts beobachtet werden. Die Lichtintensität betrug in diesem Experiment 84 μW/cm2. Bei kontinuierlichem Lichteintrag werden kontinuierlich Ladungsträger erzeugt, was zu einem höheren Strom führt. In Abb. 6d und e wird die Änderung des EPSC beobachtet, während sich die Anzahl aufeinanderfolgender Lichtspitzen von 1 auf 10 unter den Bedingungen tlight = 1 s, Δt = 1 s und Iop = 84 μW/cm2 ändert. Ähnlich wie beim vorherigen Experiment ist der Spitzenstrom umso höher, je höher die Anzahl der Spitzen ist. Schließlich zeigen Abb. 6g und h die Ergebnisse von Experimenten, die 1 s lang an doppel- und dreischichtigen photosynaptischen Transistoren angewendet wurden, während die Lichtintensität variiert wurde. Eine höhere EPSC kann erreicht werden, da mit zunehmender Lichtintensität mehr Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. Aufgrund der erhöhten Energiebarriere zeigen Experimente mit Dreischichtgeräten in Abb. 6b, e und h außerdem eine höhere Photoreaktivität als Ergebnisse mit Doppelschichtgeräten in Abb. 6a, d und g. Der Änderungstrend des Spitzenwerts jedes Experiments kann in Abb. 6c, f und i verglichen werden, wo zu sehen ist, dass die Steigung der Kurve mit zunehmendem Reiz (Spitzenbreite, Anzahl der Lichtspitzen und Licht) flacher wird Intensität), die auf das Gerät angewendet wird, erhöht sich. Dies liegt daran, dass der starke Reiz dazu führt, dass die Elektronen in CsPbBr3 in der Photonenabsorptionsschicht eine hohe Dichte erreichen und die neuen photogenerierten Löcher direkt mit den Elektronen rekombinieren, bevor sie in die TIPS-Schicht gelangen19. Aus den in Abb. 6i gezeigten Ergebnissen geht hervor, dass das Dreischichtgerät eine mehr als doppelt so hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweist wie bei niedrigen und hohen Lichtintensitäten. Diese erhöhte Reaktion wird hauptsächlich auf den der Dreischichtstruktur innewohnenden Energiebandmechanismus zurückgeführt, der die Rekombinationsrate von Elektronen und Löchern effektiv senkt. Infolgedessen bedeutet dies, dass eine deutlich größere Anzahl verbleibender Kanalträger oder Löcher zur Verfügung steht, um zum Kanalstrom beizutragen.

(a–b) ΔEPSC als Funktion der Spitzenbreiten für Doppelschicht- bzw. Dreischicht-Bauelemente. (c) Peak von ΔEPSC (ΔEPSCp) als Funktion der Spitzenbreiten. (d–e) ΔEPSC bei Einfluss unterschiedlicher Anzahl aufeinanderfolgender Lichtspitzen in Doppelschicht- bzw. Dreischichtvorrichtungen. (f) ΔEPSCp als Funktion der Spike-Anzahl für Doppelschicht- und Dreischicht-Bauelemente. (g–h) ΔEPSC-Messungen bei verschiedenen Lichtintensitäten für Doppelschicht- bzw. Dreischicht-Bauelemente. (i) ΔEPSCp als Funktion der Lichtintensität für Doppelschicht- und Dreischichtgeräte.

Ein besonderes Ergebnis dieser Experimente ist, dass das Dreischichtgerät einen relativ stetigen Anstieg des EPSC mit einer geringeren Tendenz zur Sättigung zeigt als das Doppelschichtgerät. Dies liegt daran, dass die Rekombination von Elektronen und Löchern in der CsPbBr3-Schicht verringert und die Lebensdauer der Löcher erhöht wird, wenn sich die im Dreischichtbauelement erzeugten Elektronen zur SnO2-Schicht bewegen. Aufgrund dieser erhöhten Lochlebensdauer ist der maximal erreichbare Photostrom höher als der des Doppelschichtbauelements.

Bei dem Transistor mit zugesetztem NETL wurden sowohl die Erhöhung des EPSC als auch der Effekt der Verlängerung der Retentionszeit beobachtet. Abbildung 7a zeigt den Zerfall des EPSC sowohl in Doppelschicht- als auch in Dreischichtgeräten unter der STP-Bedingung (Einzelspitze). Da die EPSC-Spitzenwerte der beiden Transistoren unterschiedlich sind, wird jeder Spitzenwert auf 1 normiert. Fünfzig Sekunden nach dem Ausschalten des Lichts behält der EPSC des Doppelschichtgeräts 8,505 % des Spitzenwerts bei, während er bei 15,331 % liegt. des Spitzenwertes bleibt im Dreischichtbauteil erhalten. Dies zeigt, dass der Transistor mit der SnO2-Schicht bei gleicher Betriebsspannung und gleichen Lichtbedingungen bessere Retentionseigenschaften aufweist als das Doppelschichtbauelement. Die LTP-Ergebnisse wurden durch die Anwendung von 20 aufeinanderfolgenden Spikes erzielt (Abb. 7b). Beim Doppelschichtgerät sinkt der EPSC 50 s nach dem Ausschalten des Lichts auf 17,096 % des Spitzenstromwerts, beim Dreischichtgerät jedoch nur auf 24,567 %. Dieses Ergebnis zeigt auch, dass das Dreischichtgerät bessere Retentionseigenschaften aufweist als das Doppelschichtgerät und dass die Retentionszeit im LTP-Zustand länger ist als im STP-Zustand. Das Diagramm in Abb. 7c vergleicht die Speichereigenschaften für die Doppel- und Dreischichtgeräte 50 s nach dem Ausschalten des Lichts. Insgesamt zeigen der relativ hohe EPSC und die lange Retentionszeit unseres Geräts eine höhere Leistung bei gleichen Spannungs- und Lichtbedingungen und bieten auch einen erheblichen Vorteil gegenüber der Doppelschicht für den Langzeitbildspeicher in Bildverarbeitungssystemen.

Darstellung der EPSC-Zerfallseigenschaften und Speicherattribute für Doppelschicht- und Dreischicht-Geräte: (a) EPSC-Zerfall nach dem Anlegen einer einzelnen Lichtspitze; (b) EPSC-Abfall nach 20 aufeinanderfolgenden Lichtspitzen; (c) Vergleich der Speichereigenschaften, die 50 s nach dem Ausschalten des Lichts für beide Gerätetypen aufgezeichnet wurden.

Um die Leistung unter Niedrigleistungsbedingungen zu untersuchen32, wurde der Gerätebetrieb bei gesenkter Betriebsspannung gemessen. Abbildung 8a und b zeigen ΔEPSC, das durch Absenken der Betriebsspannung von – 0,1 auf – 0,001 V unter der Bedingung tlight = 1 s und Iop = 42 μW/cm2 erhalten wurde. Obwohl der Strom mit abnehmender Betriebsspannung schnell abnimmt, reagieren sowohl die Doppel- als auch die Dreischichtgeräte auf Lichtspitzen in diesem Spannungsbereich. Um die Leistungsaufnahmegrenze unseres Geräts zu testen, haben wir eine extreme Bedingung mit sehr niedriger Betriebsspannung, geringer Spitzenbreite und geringer Lichtintensität (Vd = − 0,1 mV, tlight = 0,01 s, Iop = 0,17 μW/cm2) vorbereitet. Unter diesen Bedingungen kann das Doppelschichtgerät keinen unterscheidbaren Spitzenwert ableiten und es ist nur Rauschen zu beobachten (Abb. 8c). Umgekehrt zeigt Abb. 8d, dass das Dreischichtgerät eine Photoreaktion durchläuft, was darauf hinweist, dass im Dreischichtgerät mehr Löcher im Kanal verbleiben als im Doppelschichtgerät. Der Energieverbrauch dieser einzelnen Spitze wird nach folgender Formel berechnet: 33,34,35

Variation von ΔEPSC unter verschiedenen Betriebsbedingungen: (a) Doppelschichtgerät und (b) Dreischichtgerät unter unterschiedlichen Betriebsspannungen (tlight = 1 s, Iop = 42 μW/cm2). EPSC wurde unter extremen Bedingungen (Vd = − 0,1 mV, tlight = 0,01 s, Iop = 0,17 μW/cm2) für (c) Doppelschicht- und (d) Dreischicht-Bauelemente erzeugt.

Unser synaptisches Gerät hat einen sehr geringen Energieverbrauch von 0,01375 fJ, was etwa 1000 Mal niedriger ist als die etwa 10 fJ, die im menschlichen Gehirn vorkommen13. Ein Vergleich mit kürzlich veröffentlichten Ergebnissen ist in Tabelle 1 dargestellt.

Zusammenfassend haben wir einen leistungsstarken synaptischen Effekt in einem dreischichtigen Gerät erzielt, indem wir das umfassend untersuchte CsPbBr3 integriert und das NETL-Material SnO2 eingeführt haben. Unsere innovative Dreischichtkonfiguration, die sich von der herkömmlichen Doppelschicht unterscheidet, bei der Elektronen im Perowskit eingefangen wurden, ermöglichte den Einschluss von Elektronen im NETL, das sich unter der Perowskitschicht befindet. Diese Anordnung bildete eine höhere Energiebarriere, verringerte die Elektron-Loch-Rekombinationsrate und führte zu einer deutlichen Verbesserung des EPSC. Das Gerät zeigte verschiedene synaptische Effekte wie PPF, STP und LTP und zeigte im Stromverbrauchstest einen extrem niedrigen Energieverbrauch, was sein Potenzial für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Energieeffizienz unterstreicht. Die Praktikabilität der Massenproduktion durch unkomplizierte und kostengünstige Lösungsverfahren wie das Schleuderbeschichten steigert den Wert zusätzlich. Während unser Gerät eine angemessene Stabilität aufwies und etwa eine Woche lang photoresponsiv war, war die längerfristige Stabilität beeinträchtigt. Zukünftige Arbeiten zielen darauf ab, diesen Aspekt zu verbessern, möglicherweise durch den Einsatz von Verschlussmaterialien oder neuartigen Verpackungstechnologien. Für die Zukunft würdigen wir die laufende Forschung zur Entwicklung von Materialien mit überlegener Photoreaktivität und geringerer Toxizität zur Optimierung dieser Geräte. Unsere Arbeit trägt wesentlich zum Aufbau von Netzwerken bei, die für zukünftige neuromorphe Computer- und künstliche Sehsysteme unerlässlich sind. Es legt eine vielversprechende Grundlage für potenzielle Anwendungen, darunter kleine Geräte, mobile Anwendungen und komplexe visuelle Erkennungsaufgaben in Bereichen wie Robotersystemen, und untermauert das Potenzial unserer Ergebnisse weiter36.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Kang, D. et al. Schwellenwertvariationstoleranter synaptischer α-IGZO-Transistor mit Kopplungsgate für ein zuverlässiger steuerbares neuromorphes Hardwaresystem. IEEE Access 9, 59345–59352. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3072688 (2021).

Artikel Google Scholar

Han, JK et al. Bioinspiriertes photoresponsives Einzeltransistorneuron für ein neuromorphes visuelles System. Nano Lett. 20(12), 8781–8788. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03652 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Kuzum, D., Yu, S. & Wong, HSP Synaptische Elektronik: Materialien, Geräte und Anwendungen. Nanotechnology 24, 382001. https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/38/382001 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Go, GT et al. Erzielung mikrostrukturgesteuerter synaptischer Plastizität und langfristiger Beibehaltung in ionengelgesteuerten organischen synaptischen Transistoren. Adv. Intel. Syst. 2(11), 2000012. https://doi.org/10.1002/aisy.202000012 (2020).

Artikel Google Scholar

Lv, D. et al. Synaptischer Vollmetalloxidtransistor mit modulierbarer Plastizität. Nanotechnology 31, 065201. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab5080 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Li, Q. et al. Nichtflüchtiger photoelektrischer Speicher mit CsPbBr3-Quantenpunkten, eingebettet in Poly(methylmethacrylat) als Ladungseinfangschicht. Org. Elektron. 77, 105461. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2019.105461 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Kim, Y. et al. Ein bioinspirierter flexibler organischer künstlicher afferenter Nerv. Science 360(6392), 998–1003. https://doi.org/10.1126/science.aao0098 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Lai, D. et al. Organischer synaptischer Transistor auf Gelatine-Hydrogel-Basis. Org. Elektron. 75, 105409. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2019.105409 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Kim, SH & Cho, WJ Lithographie verarbeitbare elektrische Ta2O5-Barriereschicht-Chitosan-Doppelschicht-Synapsentransistoren. Int. J. Mol. Wissenschaft. 22(3), 1344. https://doi.org/10.3390/ijms22031344 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lee, YR, Trung, TQ, Hwang, BU & Lee, NE Ein flexibles künstliches intrinsisch-synaptisches taktiles Sinnesorgan. Nat. Komm. 11(1), 1–11. https://doi.org/10.1038/s41467-020-16606-w (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Lee, K. et al. Künstlich intelligente taktile ferroelektrische Haut. Adv. Wissenschaft. 7(22), 2001662. https://doi.org/10.1002/advs.202001662 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, J. et al. Durch schwaches Licht stimulierte synaptische Hybridfototransistoren basierend auf inselartigen Perowskitfilmen, hergestellt durch Schleuderbeschichtung. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 13(11), 13362–13371. https://doi.org/10.1021/acsami.0c22604 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Chen, T. et al. Photonische Synapsen mit extrem niedrigem Energieverbrauch basierend auf vertikalen organischen Feldeffekttransistoren. Adv. Opt. Mater. 9(8), 2002030. https://doi.org/10.1002/adom.202002030 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, Y. et al. Photonische Synapsen basierend auf anorganischen Perowskit-Quantenpunkten für neuromorphes Computing. Adv. Mater. 30(38), 1802883. https://doi.org/10.1002/adma.201802883 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Cho, SW et al. Multispektrale Gate-getriggerte heterogene photonische Neurotransistoren für energieeffizientes, vom Gehirn inspiriertes neuromorphes Computing. Nano Energy 66, 104097. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104097 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, Z. et al. Photoresponsive Transistoren auf Basis von bleifreiem Perowskit und Kohlenstoffnanoröhren. Adv. Funktion. Mater. 30(3), 1906335. https://doi.org/10.1002/adfm.201906335 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Berco, D. & Ang, DS Jüngste Fortschritte bei synaptischen Geräten ebnen den Weg zu einer künstlichen kognitiven Netzhaut für bionisches und maschinelles Sehen. Adv. Mater. 1(1), 1900003. https://doi.org/10.1002/aisy.201900003 (2019).

Artikel Google Scholar

Shafian, S., Jang, Y. & Kim, K. Lösungsverarbeiteter organischer Fotodetektor unter Verwendung einer interdiffundierten Polymer/Fulleren-Doppelschicht. Opt. Express 23(15), A936–A946. https://doi.org/10.1364/OE.23.00A936 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Hao, D., Zhang, J., Dai, S., Zhang, J. & Huang, J. Perowskit/auf organischen Halbleitern basierender photonischer synaptischer Transistor für künstliche visuelle Systeme. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 12(35), 39487–39495. https://doi.org/10.1021/acsami.0c10851 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Qu, Q. et al. Abbaubare photonische synaptische Transistoren auf Basis natürlicher Biomaterialien und Kohlenstoffnanoröhren. Klein 17(10), 2007241. https://doi.org/10.1002/smll.202007241 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Li, X. et al. Vollständig anorganische CsPbBr3-Perowskit-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 10,45 % durch verdampfungsunterstützte Abscheidung und Einstellung mittlerer Energieniveaus. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 11(33), 29746–29752. https://doi.org/10.1021/acsami.9b06356 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Li, Y. et al. Hochleistungs-Perowskit-Fotodetektoren basierend auf lösungsverarbeiteten rein anorganischen CsPbBr3-Dünnfilmen. J. Mater. Chem. C 5(33), 8355–8360. https://doi.org/10.1039/C7TC02137B (2017).

Artikel CAS Google Scholar

You, J., Meng, L., Song, TB & Guo, TF Verbesserte Luftstabilität von Perowskit-Solarzellen durch lösungsverarbeitete Metalloxid-Transportschichten. Nat. Nanotechnologie. 11(1), 75–81. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.230 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Kumar, N., Rani, J. & Kurchania, R. Fortschritte bei anorganischen CsPbBr3-Perowskit-Solarzellen: Herstellung, Effizienz und Stabilität. Sol. Energie 221, 197–205. https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.04.042 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Song, K. et al. Einfluss der Konzentration der kolloidalen SnO2-Dispersionslösung auf die Qualität der Perowskitschicht von Solarzellen. Coatings 11(5), 591. https://doi.org/10.3390/coatings11050591 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Wu, H. et al. Verbesserte Leistung von Perowskit-Fotodetektoren basierend auf einem lösungsverarbeiteten CH3NH3PbI3/SnO2-Heteroübergang. Org. Elektron. 57, 206–210. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2018.03.018 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, Y. et al. Künstliche sensorische Synapse aus piezotronischem Graphen. Adv. Funktion. Mater. 29(41), 1900959. https://doi.org/10.1002/adfm.201900959 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Lan, S., Ke, Y. & Chen, H. Photonischer synaptischer Transistor basierend auf der Mischung organischer Halbleiter vom P-Typ mit organischen Halbleitern vom N-Typ. IEEE Electron Device Lett. 42(8), 1180–1183. https://doi.org/10.1109/LED.2021.3090906 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Hossain, MK et al. Eine umfassende Studie zu mehreren ETL- und HTL-Schichten zur Entwicklung und Simulation leistungsstarker bleifreier Perowskit-Solarzellen auf CsSnCl3-Basis. Wissenschaft. Rep. 13(1), 2521. https://doi.org/10.1038/s41598-023-28506-2 (2023).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wei, S. et al. Flexible Quasi-2D-Perowskit/IGZO-Fototransistoren für ultraempfindliche und breitbandige Fotodetektion. Adv. Mater. 32(6), 1907527. https://doi.org/10.1002/adma.201907527 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Zang, Y., Shen, H., Huang, D., Di, CA & Zhu, D. Ein auf einem dualen organischen Transistor basierendes taktiles Wahrnehmungssystem mit Signalverarbeitungsfunktionalität. Adv. Mater. 29(18), 1606088. https://doi.org/10.1002/adma.201606088 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, B. et al. Lichtstimulierte synaptische Transistoren mit geringem Stromverbrauch auf Basis von natürlichem Carotin und organischen Halbleitern. Chem. Komm. 57(67), 8300–8303. https://doi.org/10.1039/D1CC03060D (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Shi, Q. et al. Druckbare ternäre synaptische Transistoren mit extrem geringem Stromverbrauch für ein multifunktionales Informationsverarbeitungssystem. Nano Energy 87, 106197. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106197 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Hua, Z. et al. Monoschichtige Molekülkristalle für optische synaptische Transistoren mit geringem Energieverbrauch. Nano Res. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4372-9 (2022).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, Y. et al. Energieeffiziente synaptische Geräte basierend auf einem planar strukturierten h-BN-Memristor. J. Legierung. Compd. 909, 164775. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164775 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Park, HL et al. Von der Netzhaut inspirierte photonische Synapsen auf Kohlenstoffnitridbasis zur selektiven Erkennung von UV-Licht. Adv. Mater. 32(11), 1906899. https://doi.org/10.1002/adma.201906899 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde teilweise durch das Basic Science Research Program der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, das vom Ministerium für Wissenschaft und IKT finanziert wird (NRF-2022R1F1A1075165), teilweise durch das National R&D Program der National Research Foundation of Korea ( NRF), finanziert vom Ministerium für Wissenschaft und IKT (2021M3H2A1038042) und teilweise von Samsung Electronics im Rahmen des Grant IO201209-07879-01.

Fakultät für Elektrotechnik, Sogang University, 35 Baekbeom-ro, Mapo-gu, Seoul, 04107, Korea

Taewoo Kim & Kwang-Seok Yun

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

TK: Konzeptualisierung, Methodik, Untersuchung, Schreiben – Originalentwurf. K.-SY: Betreuung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, Projektverwaltung.

Korrespondenz mit Kwang-Seok Yun.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Kim, T., Yun, KS. Photonische synaptische Transistoren mit neuer Elektroneneinfangschicht für hohe Leistung und extrem niedrigen Stromverbrauch. Sci Rep 13, 12583 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39646-w

Zitat herunterladen

Eingegangen: 26. Januar 2023

Angenommen: 28. Juli 2023

Veröffentlicht: 03. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39646-w

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.