​同济大学黄佳课题组：卟啉与单层石墨烯的共价耦合用于低压突触晶体管

通讯作者：黄佳

通讯单位：同济大学

文章DOI：10.1021/acsami.1c22073

摘要

模拟生物突触的装置是人工神经网络的关键组成部分。卟啉和石墨烯作为两种新兴的电子材料，由于其优异的结构和功能特性，在光电器件的研究中受到广泛关注。

同济大学黄佳课题组提出了一种基于卟啉-石墨烯共价杂化物的光子突触晶体管。该晶体管利用重氮加成反应连接5,10,15,20-四(4-氨基苯基)-21H,23H-卟啉和单层石墨烯。

该光子突触装置成功地模拟了几种基本的生物学功能，并且可以通过调节装置的光尖峰和栅极电压参数来调节突触可塑性。此外，本文研究了不同波长下的学习和记忆行为，以模仿人类在不同情绪状态下的学习效率。并且，所有突触功能都可以在-10 mV的低工作电压下实现，这远低于大多数报道的光子突触设备所需的电压。

这些结果表明，卟啉与石墨烯的共价偶联产物在构建突触晶体管方面具有广阔的前景，并可能在超低工作电压和低能耗的神经形态器件方面引起新的研究进展。

图文简介

图1

(a) DTAP-石墨烯基晶体管的器件结构示意图。

(b) TAP和DTAP的FTIR光谱验证DTAP合成成功。

(c) SiO2/Si衬底上单层石墨烯的AFM图像。石墨烯表现出光滑的形态，厚度约为2 nm。进行拉曼光谱以验证石墨烯和DTAP的共价键合。

(d) 单层石墨烯的拉曼光谱（激发波长为532 nm）。证明纯石墨烯的拉曼光谱，其中可以观察到三个不同的峰。

(e) DTAP的紫外-可见吸收光谱。DTAP的紫外-可见吸收光谱在430 nm处有一个强吸收峰。

(f) 基于DTAP-石墨烯的晶体管在Vg = 0 V时有和没有照明（430 nm，1 mW cm-2）的输出曲线研究设备的基本光响应性能。

图2

(a) 基于DTAP-石墨烯的光子突触晶体管模拟的神经信号传输的简化机制。两个神经元之间的神经信号传输过程，可以通过基于DTAP-石墨烯的光子突触晶体管来模拟。

(b) 在Vd = -0.01 V 和Vg = 0 V时由光尖峰(430 nm, 0.14 mW cm-2, 1 s)诱导的EPSC。利用我们的光子突触晶体管在突触前光尖峰下可以很好地模拟典型的EPSC行为，这是一种基本的突触特征。

(c) 将EPSC (ΔEPSC)的变化表示为尖峰持续时间的函数。

(d) 演示了通过一对脉冲间隔为1秒的光尖峰诱导的EPSC响应。EPSC由两个连续的光尖峰 (430 nm, 0.14 mW cm-2, 1 s)诱导，在Vd = -0.01 V 和Vg = 0 V时的尖峰间隔为1 s。

(e) PPF比率作为尖峰间隔的函数绘制。PPF指数严重依赖于尖峰间隔。

图3

(a) 在Vd = -0.01 V和Vg = 0 V（430 nm，1 s）时强度为0.14至0.96 mW cm-2的光尖峰诱导的EPSC。随着光强度从0.14增加到0.96 mW cm-2，EPSC显著增加。

(b) ΔEPSCs和(c)弛豫时间作为光强度的函数绘制。表明突触可塑性受到辐照强度的良好调节。突触装置的记忆能力也可以通过光强度来调节。

(d) 在Vd = -0.01 V和Vg = 0 V时由20个相同的光尖峰触发的EPSC响应。EPSC在开始时急剧增加，随后随着施加增加的尖峰而降低增长率。

(e) 作为尖峰数的函数绘制的ΔEPSC表明，重复训练也可用于控制设备的突触权重。

(f)自学习过程由基于DTAP-石墨烯的光子突触装置模拟。器件在Vd = -0.01 V和Vg = 0 V（430 nm，0.14 mW cm-2）时的自学习过程。

图4

(a)在Vd = -0.01 V 和 Vg = 0 V时，在365到600 nm (0.24 mW cm-2, 1 s)的不同波长下，固定光强度的光尖峰诱导的ΔEPSCs。结果表明，波长为430 nm的光尖峰触发了最大EPSC峰值和最明显的衰减行为。

(b)和(c)分别显示了不同Vg下1个光尖峰和10个光尖峰引起的EPSC行为，随着Vg在-20到30 V的范围内，EPSC 衰减时间显着增加，这对应于具有代表性的短期可塑性(STP)向长期可塑性(LTP)的转变。

图5

图5验证了基于DTAP-石墨烯的光子突触器件在人机界面光无线通信中的潜力。在Vd = -0.01 V和Vg = 0 V时，由一系列具有(a)“PORPHYRIN”和(b)“GRAPHENE”的国际摩尔斯电码的光尖峰诱导ΔEPSCs。点划线图案的光尖峰持续时间为1.50.5 s，分别为（430 nm，0.05 mW cm-2）。两个光尖峰之间的间隔固定为0.5 s。

图6

(a) 情绪状态与学习效率/记忆水平的关系示意图。根据情绪对人类的不同影响，情绪可分为三类：积极情绪、中度情绪和消极情绪。

(b)和(c)显示了在365到600 nm的不同波长下由固定强度的光尖峰序列触发的ΔGEPSC行为。

(d) 不同波长下的设备也可以模拟情绪对记忆遗忘过程的影响。

总结

基于卟啉-石墨烯共价杂化物的光子突触晶体管是通过重氮加成反应合成的。

基于卟啉-石墨烯的设备成功地模仿了基本的突触功能，例如EPSC、PPF和自学习行为。

此外，可以通过调整设备的Vg和改变光尖峰的参数（包括持续时间、数量、强度和波长）来调节突触可塑性。

本文报道了不同波长下的学习和记忆行为。所有的突触功能都是在-10 mV的低电压下实现，即使工作电压低至-1 mV，仍然可以模拟出典型的突触行为，远低于大多数报道的光子突触装置要求。

本研究实现了基于卟啉-石墨烯的晶体管，为实现低压突触设备开辟了一条有前景的途径。