據麥姆斯咨詢報道，近期，蘇州大學張曉宏教授和揭建勝教授團隊合作開發了一種基于全印刷技術的低功耗光突觸有機場效應光電晶體管陣列（英文縮寫為FSP-OFET），并演示了該陣列在仿人眼視覺領域的應用。該陣列將器件功耗降低到生物突觸的水平，并在低功耗下實現了多項生物突觸的功能，比如短期可塑性（STP）和長期記憶增強（LTP）等，從而推動了低功耗仿生人眼視覺系統的發展。

與傳統的光電晶體管不同，光突觸晶體管的特點體現在其對入射光具有光電響應的同時，還具備仿生“突觸”的行為上。光突觸晶體管的半導材料選用的是Dif-TES-ADT，一種在可見光波段具有高靈敏響應，且空氣穩定的p型有機小分子半導體材料。以往的工作表明，溶液法制備的Dif-TES-ADT晶體中存在著大量的電荷陷阱，光照時晶體管中的電荷進行分離，大量的電子被陷阱捕獲，從而導致了器件電導狀態的上升；光照結束后被捕獲的電子被逐漸釋放，電導狀態也隨之緩慢恢復（圖1）。這種載流子捕獲與釋放的過程與生物突觸中的記憶和遺忘的行為非常類似，成為光突觸行為的來源。

圖1 光突觸晶體管示意圖及實現突觸功能的電荷捕獲與釋放過程

為了充分發揮有機材料可溶液法處理的優勢，研究者們提供了一種結合噴墨打印技術和刮涂印刷的全印刷器件制備工藝-使用定點噴墨打印完成電極的構筑，并使用刮涂印刷絕緣材料。在完成了底部電極陣列的構筑后，再通過刮涂法一步印刷半導體材料，最終得到了柔性大面積的光突觸晶體管陣列（圖2）。

圖2 全印刷制備光突觸晶體管陣列

與傳統的源漏電極為歐姆接觸的場效應光電晶體管不同，研究者采用了肖特基接觸的源漏電極來構筑有機場效應光電晶體管，以此達到器件低電流和低電壓操作的目的。隨著肖特基結構的引入，晶體管的操作電壓與關態下電流大幅降低，最終實現了超低的工作能耗，且超低的暗電流也有效提升了器件光電響應靈敏度。在STP行為中每個光照事件最低功耗可以達到0.07 fJ，該數值比之前報道的光突觸器件降低了四個數量級以上，達到甚至低于人腦中突觸的功耗水平（1-100 fJ）(圖3)。

圖3 單個光突觸晶體管的性能及在不同光照條件下的能耗表現

除了在單個器件上實現低功耗和高的光電響應靈敏度，研究者還展示了利用陣列化的器件實現了仿生視覺和圖像學習等功能。研究者采集了多次光照下每個像素點電流的變化情況，隨著光照次數的增多，更強的光電流導致了更高的圖像對比度，這個過程與人眼重復看同一事物，慢慢記住物體的過程相類似。再結合計算機卷積神經網絡（CNNs）對物體的識別，可以觀察到隨著光照次數的增加，CNNs對于圖像的識別能力也在提升（圖4），充分證明了全印刷的光突觸晶體管陣列在仿生視覺領域的應用潛力。

圖4 仿生視覺和圖像增強功能演示

該工作最大的意義在于克服了傳統有機光突觸器件高功耗的障礙，且全印刷的制備工藝可以實現大面積柔性器件的集成，從而讓仿生視覺設備離實際應用又更進了一步。

審核編輯 ：李倩