（文章來源：科技報告與資訊）

有機(jī)-無機(jī)鹵化物鈣鈦礦量子點（PQD）形成了一種有吸引力的光電應(yīng)用材料。但是，它們的電荷傳輸性能比石墨烯等的材料差。相反，石墨烯包含的電荷產(chǎn)生效率對于光電應(yīng)用而言太低。在一項新的研究中，Basudev Pradhan和納米科學(xué)技術(shù)中心的研究團(tuán)隊，以及美國中佛羅里達(dá)大學(xué)的的多領(lǐng)域科學(xué)家們，利用石墨烯-PQD超結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種超薄光子晶體管和光子突觸。

為了制備超結(jié)構(gòu)，他們直接從石墨烯晶格中生長了PQD。由G-QPD制成的光電晶體管表現(xiàn)出出色的響應(yīng)度和比檢測率。上層結(jié)構(gòu)的光輔助記憶效應(yīng)使光子突觸行為可用于神經(jīng)形態(tài)計算，該團(tuán)隊在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下通過面部識別應(yīng)用程序進(jìn)行了演示。Pradhan等研究人員期望G-PQD超結(jié)構(gòu)為開發(fā)高效光電器件提供新的方向。

石墨烯因其寬的光譜帶寬，出色的載流子傳輸性能，高遷移率，出色的穩(wěn)定性和出色的柔韌性而成為電子和光電領(lǐng)域的理想材料。材料科學(xué)家開發(fā)了許多復(fù)合材料和器件，用于能量收集，存儲，光電探測器和晶體管。但是，單層石墨烯只能吸收2.3％的入射可見光，嚴(yán)重阻礙了它們在光電和光子器件中的使用。相反，由于有機(jī)-無機(jī)PQD 的獨特特性，它們已成為光電應(yīng)用中有吸引力的材料，盡管它們的電荷傳輸能力比石墨烯差。

Pradhan等通過使用缺陷介導(dǎo)的方法從單層石墨烯的晶格中生長PQD，探索了這項工作中甲基銨溴化鉛PQD的強(qiáng)光生效率。由于PQD可以吸收光并生成電荷載流子，因此其原理有助于設(shè)計混合超結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊在光電晶體管的幾何形狀中實現(xiàn)了薄的超結(jié)構(gòu)，以在430 nm處產(chǎn)生1.4×10 8 AW -1的光響應(yīng)性和4.72 x 10 15 Jones 的比檢測率；這是迄今為止在類似設(shè)備上記錄的最佳響應(yīng)度和探測率。

這項工作極有希望開發(fā)出用于高速通信，傳感，超靈敏相機(jī)，高分辨率成像和顯示器的高效光電材料。以光子突觸形式存在的石墨烯-PQD（G-PQD）超結(jié)構(gòu)的行為對于模式識別也至關(guān)重要。結(jié)果支持用于模擬人腦的神經(jīng)形態(tài)結(jié)構(gòu)硬件單元的開發(fā)，可用于一系列的應(yīng)用程序。Pradhan等使用配體輔助再沉淀（LARP）來生產(chǎn)具有非常高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率的PQD，并控制PQD產(chǎn)品的尺寸和形態(tài)。該團(tuán)隊直接在石墨烯單層的活性位點上開始PQD的生長，以形成超結(jié)構(gòu)。在此過程中，他們將抗溶劑甲苯添加到被鈣鈦礦前體浸潤的石墨烯層上以引發(fā)晶種，并在形成PQD晶體所需的石墨烯片上形成鈣鈦礦胚。

該團(tuán)隊使用透射電子顯微鏡（TEM）分析了新合成的雜化材料（石墨烯PQD ），以驗證PQD和石墨烯層之間的結(jié)合。他們注意到存在兩種不同的G-PQD，它們吸收了434 nm和451 nm的可見光波長，表明它們有可能形成在藍(lán)色照明下檢測的高性能光電晶體管。

使用時間相關(guān)的單光子計數(shù)測試了材料相對于G-PQD 超結(jié)構(gòu)激發(fā)態(tài)動力學(xué)的光物理性質(zhì)，并觀察到平均熒光衰減時間為749 ns。與先前報道的光刻膠相比，超結(jié)構(gòu)顯示出更高的靈敏度和更高的光電流。該設(shè)備還可以在白光照射下充當(dāng)光激活開關(guān)，并且在打開燈后的0.45秒響應(yīng)時間內(nèi)，光電流迅速上升。由于更復(fù)雜的因素，導(dǎo)致響應(yīng)時間更長。

由于采用傳統(tǒng)的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)或普林斯頓結(jié)構(gòu)；目前，由數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家約翰·馮·諾伊曼（John von Neumann）開發(fā)的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)既耗時又耗電。內(nèi)存和處理器之間現(xiàn)有的性能和可伸縮性限制通常被稱為von Neumann瓶頸。該設(shè)備在以數(shù)據(jù)為中心的實時圖像識別，數(shù)據(jù)分類和自然語言處理應(yīng)用中造成了重大缺陷。因此，神經(jīng)形態(tài)計算是一個新興的高級平臺，可以勝過馮·諾依曼架構(gòu)。在設(shè)置中，突觸通常可以充當(dāng)兩個神經(jīng)元之間的交流通道。

在這種情況下，G-PQD上層結(jié)構(gòu)充當(dāng)了人造光子突觸。突觸前信號基于光脈沖形式的外部光刺激，而突觸后信號是通過G-PQD通道獲得的電流，以保持漏極源極和柵極電壓固定。G-PQD突觸設(shè)備的嵌入式光學(xué)信息，檢測處理和保留功能在模式識別領(lǐng)域中成為了人類視覺記憶的潛在候選者。Pradhan等。構(gòu)建了一個尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以使用Python執(zhí)行無監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)和面部識別。該團(tuán)隊使用四幅人物肖像來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并表明增加輸出神經(jīng)元的使用以及更長的訓(xùn)練時間可以實現(xiàn)更高的面部識別率。

以這種方式，Basudev Pradhan及其同事基于利用缺陷介導(dǎo)的晶體生長技術(shù)從石墨烯晶格中生長的PQD的雜化材料，開發(fā)了極薄的超結(jié)構(gòu)。由于PQD和石墨烯的π電子云的結(jié)合，他們獲得了高度增強(qiáng)的電荷轉(zhuǎn)移。最終的器件在光電晶體管和光子突觸方面表現(xiàn)出了很高的性能，該團(tuán)隊進(jìn)一步使用仿真進(jìn)行了驗證。該團(tuán)隊打算將他們的方法擴(kuò)展到其他二維材料，包括過渡金屬二鹵化物和其他異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這項工作將為適用于多種電子和光電應(yīng)用的新型高性能上部結(jié)構(gòu)材料打開一扇大門，這對面部識別和神經(jīng)形態(tài)計算非常有利。
（責(zé)任編輯：fqj）