中科院化学所《自然·通讯》：新型视觉自适应晶体管，推动可穿戴神经形态光电子学发展

在当今快速演进的人机交互智能时代，仿生可穿戴和植入式设备对个性化反馈和自适应能力的需求日益迫切。然而，现有的仿生视觉设备往往缺乏尺度模量可变形光敏材料，且为实现光学神经功能集成而存在复杂的冗余制造工艺，在机械应变下常出现性能严重退化的问题，凸显了在实现延展性和多功能性方面存在的关键挑战。有机材料凭借其优异的生物相容性、机械顺应性和可调谐光电特性，成为解决这些难题的理想候选。近日，一项发表于《自然·通讯》的研究成果，通过创新的多维相分离诱导微网结构，成功开发出全有机本征可拉伸神经形态视觉自适应晶体管，为实现类肤神经形态视觉系统提供了革命性技术方案。

中国科学院化学研究所郭云龙研究员、赵志远副研究员课题组提出了一种基于多维相分离诱导微网的缺陷可调粘弹性光敏体异质结，用于构建全有机本征可拉伸神经形态视觉自适应晶体管。该器件在100%双轴机械应变下仍能保持高光敏性和多模态宽波长光自适应能力。尤为突出的是，该全有机本征可拉伸视觉自适应晶体管实现了创纪录的0.4秒超快自适应时间，并达到88.4%的高节能比。此外，还实现了低至44.37%的双脉冲抑制指数，展现了减少异常放电和恢复正常神经网络功能的能力。这种卓越的仿生视觉自适应系统能够处理精细的时变智能信息转换，可实现高度误导性的加密无线光通信，并成功构建了对比视觉自适应像素，用于极端环境下的高级驾驶辅助系统模拟。相关论文以“Intrinsically stretchable all-polymer neuromorphic visual adaptive transistors based on multidimensional-phase-separation-induced micromesh”为题，发表在

Nature Communications

研究人员通过利用给体聚合物DPP-DTT、受体聚合物N2200和高极性弹性体聚氨酯（PU）构建了全聚合物体异质结。由于不相等的表面能和热力学作用，范德华力促使了独特的多维相分离诱导微网结构的形成。原子力显微镜和扫描电镜表征显示，随着PU的加入，复合聚合物薄膜呈现出孤立的微球域分散在聚合物纤维网络中，形成直径约0.8微米、深度15纳米的孔洞。这种微网结构在三维空间中多维分布，不仅为薄膜提供了充足的应力耗散位点以保持优异弹性，还为光电神经形态应用提供了多级可调缺陷态。通过扫描近场光学显微镜进一步确认了各组分分布：PU主要集中在孤立孔洞区域并在周围表面形成薄覆盖层，而DPP-DTT/N2200则主要分布在连续区域。开尔文探针力显微镜测试表明，与原始薄膜相比，混合薄膜在光照后因缺陷态捕获光生空穴而导致表面电位明显下降，证实了缺陷态的可调性。二维掠入射广角X射线散射结果显示，MPSM薄膜的结晶度和取向性降低，表明其引入了丰富的本征缺陷态。

图1. 具有多维相分离诱导微网结构的全聚合物光敏体异质结。 a 用于异质结的给体-受体聚合物和极性弹性体的结构式。 b 人眼的视觉适应机制与高级驾驶辅助系统模拟。 c 应变不敏感体异质结中杂化趋势的示意图。 d-g 纯给体-受体聚合物异质结薄膜（上）与含极性弹性体的杂化异质结薄膜（下）的形貌对比。 d 原子力显微镜三维视图。 e 原子力显微镜表面形貌图。 f 原子力显微镜底面形貌图。 g 扫描电子显微镜截面形貌图。

图2. MPSM薄膜的独特性和普适性。 a 不同极性弹性体杂化（按极性降序排列）的形貌、薄膜性质与光学功能之间的典型关系。 b 不同给体-受体半导体下的光敏性和薄膜性质（粗糙度用RMS值表示）。 c 温度对MPSM薄膜光敏性和孔洞率的影响。 d 弹性体比例对粘附性能的影响。 e 在1546 cm⁻¹波长下，用于给体-受体聚合物分布分析的扫描近场光学显微镜表征。 f 在1125 cm⁻¹波长下，用于弹性体分布分析的扫描近场光学显微镜表征。 g 孔洞率与缺陷态密度之间的相关性。 h 纯给体-受体异质结与杂化MPSM异质结之间的电势变化。 i 纯给体-受体异质结的掠入射广角X射线散射图像。 j 杂化MPSM异质结的掠入射广角X射线散射图像。 k 不同弹性体比例下的面内信息分析。 l 不同弹性体比例下的面外信息分析。

基于MPSM粘弹性光敏异质结，研究团队制备了底栅顶接触构型的全有机本征可拉伸神经形态视觉自适应晶体管。该器件在近红外光照下表现出高达10⁴的光暗电流比、优异的光强调制能力和运行稳定性。由于引入的缺陷态，器件展现出独特的光电流衰减行为，并随光强变化产生多样化的行为模式，这与视觉适应过程相关。研究发现，自适应时间与微网孔洞率呈强负相关，随着PU含量从30%增至70%，平均孔径从0.18微米增至0.80微米，自适应时间从30.4秒锐减至0.4秒。与普通光探测器相比，该器件实现了88.4%的节能比。通过定义光电流衰减至40%的时间为自适应时间，研究团队系统评估了器件在不同光强、栅压和波长下的自适应行为，结果表明光强、栅压和波长均可有效调控自适应速率和幅度，展现了多模态宽波长光自适应能力。

图3. ISNVaT的光电识别与适应行为。 a 基于MPSM薄膜的全有机本征可拉伸神经形态视觉自适应晶体管（ISNVaT）示意图。 b 基于70% PU的ISNVaT在暗态和808 nm光照下的典型滞回转移曲线。 c ISNVaT在不同强度808 nm光照下的典型转移曲线。 d ISNVaT在不同波长光照下的典型转移曲线。 e ISNVaT的光强依赖性自适应行为。 f 自适应时间、弹性体比例和孔洞率之间的相关性。 g 自适应行为带来的能耗节省。 h 本工作与先前报道的自适应器件（按有机和无机有源层分类）的自适应时间对比。 i 提取的自适应速率指数对光强的依赖性。 j 提取的自适应速率指数对栅压的依赖性。 k 提取的自适应速率指数对波长的依赖性。

得益于MPSM中弹性体富集孔洞提供的应力耗散和聚合物半导体纤维保证的光电传输，该器件表现出优异的机械耐久性。在高达100%的单轴拉伸应变下，器件的开态电流和光暗电流比未出现明显衰减；即使在25%双轴应变下经过1000次拉伸-释放循环，光开关行为仍能保持。更重要的是，在100%应变下，器件的自适应行为仍保持稳定且可调。基于时间依赖的响应和记忆特性，该器件无需独特架构设计即可融合光适应和双脉冲抑制光合行为。双脉冲抑制指数随光脉冲间隔增加而逐渐增大，且可通过栅压有效调控，在负栅压下实现了低至44.37%的最优PPD指数，这是目前抑郁性突触晶体管中最低值之一。该机制可归结为：光照下光生激子快速分离产生峰值光电流，随后光生空穴逐渐被缺陷态捕获导致光电流迅速下降，最终在载流子捕获与释放间达到动态平衡。

图4. 应变不敏感性与抑制性突触特性。 a 处于机械应变下的ISNVaT阵列照片。 b ISNVaT的应变耐受特性。 c ISNVaT在不同拉伸循环次数下的拉伸稳定性。 d 不同应变和栅压下的光适应行为。 e 多光脉冲下的抑制性突触行为。 f 相同光脉冲对在不同光脉冲间隔和栅压下的双脉冲抑制指数。 g 不同光强和栅压下（光照时间和间隔均为0.2秒）的双脉冲抑制指数。 h 相同脉冲对条件下（光照条件相同，间隔0.2秒）不同波长下的双脉冲易化指数。 i MPSM异质结薄膜中电荷输运和捕获机制的示意图。

基于视觉自适应行为的丰富时变信息，研究团队构建了先进的视觉自适应系统。通过提取自适应行为的关键指标并编码，实现了高度误导性的加密无线光通信：在特定编码规则下，真实信息“PART”和“BOMB”被有效传递，而微小的时间条件偏移则会导致完全相反的虚假信息“FAKE”和“JUMP”，展现了卓越的信息安全保障能力。进一步，研究团队构建了5×5晶体管阵列模拟视觉自适应像素，并通过连接LED作为驱动器，成功模拟了高级驾驶辅助系统在极端环境（如强光、雾天、事故变形）下的工作场景。与传统非自适应像素不同，自适应像素在感知外部危险时会立即发出强警报，然后在极短时间内适应至所需水平，从而清晰感知外部信息以分析当前状况，而传统系统则会因持续警报而遮蔽外部信息。这种集感知、计算和决策于一体的自适应系统，有望减少资源消耗，提升紧急情况下的响应速度。

图5. 面向光通信加密和ADAS模拟的先进视觉自适应系统。 a 与非自适应光探测器相比，视觉自适应行为丰富的多维信息。 b 自适应行为的特定编码本和规则。 c 不同波长下的误导性光加密通信行为，真实码字“PART”被误导为“FAKE”。 d 不同近红外光强下的误导性光加密通信行为，真实码字“BOMB”被误导为“JUMP”。 e 视觉自适应像素电路和环境参考电路示意图，其中视觉自适应像素电路将近红外输入信号转换为可见光输出信号。 f 基于视觉自适应晶体管和传统光电晶体管的ADAS模拟对比示意图。与传统系统相比，视觉自适应系统避免了紧急情况下环境信息的遗漏。 g 极端天气条件（如雾天）下的视觉自适应系统ADAS模拟。 h 特殊碰撞变形情况下的视觉自适应系统ADAS模拟。

该研究通过表面能和热力学诱导的体异质结工程，成功开发了具有本征可拉伸性、保持性光敏性和缺陷可调性的多维相分离诱导微网薄膜，并应用于神经形态光电子学。基于MPSM薄膜的优异可调特性，研究团队实现了全有机神经形态视觉自适应系统，其在极端环境下展现出卓越的智能时变信息处理能力。这种仿生视觉自适应系统为视觉密码学、仿生机器人和无人智能领域提供了一种普适性策略，预示着其在先进可穿戴智能神经形态光电子学领域的变革性潜力。