北京时间2025年1月14日凌晨，季华实验室张钰副研究员、董美秋助理研究员团队与天津大学胡文平、杨方旭教授团队、华南师范大学袁冬副研究员团队合作在Matter期刊上发表了一篇题为“Chiroptical organic heterojunction synaptic phototransistor exhibiting near-theoretical limit asymmetry factor for neuromorphic cryptography”的研究成果。

该成果报道了一种基于二维有机分子晶体/胆甾相液晶网络薄膜创新异质结的高性能突触光电晶体管，该晶体管表现出超高的圆偏振光分辨能力，具有近理论极限不对称因子，在极化敏感神经形态视觉系统领域取得重大进步，同时为强大的手性数据编码和加密机制铺平了道路。

第一作者是张钰副研究员，论文通讯作者是杨方旭教授、董美秋助理研究员、孙玲杰副教授、袁冬副研究员。

圆偏振光（CPL）作为光的基本属性之一，其高性能探测器的发展对于实现多样化应用至关重要。CPL探测器的关键性能指标—不对称因子（g因子），量化了其在区分左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光电转换效率。然而，由于CPL探测器在同时区分手性光并将其转换为电信号时所面临的固有权衡，其性能的提高极具挑战。具体而言，单晶半导体，因其高的载流子迁移率，表现出优越的光电转换能力。然而，这些单晶材料通常缺乏固有的CPL灵敏度，需要结合多个光学元件，如四分之一波片和线性偏振器，这对器件的小型化和集成化提出了挑战。相反，以螺旋、扭曲或不对称立体中心为特征的手性材料具有感知圆偏振光的能力。

迄今为止，采用单一有源手性半导体层的CPL探测器已被开发，但其在平衡CPL辨识和有效电荷传输之间常常面临困难。手性有机半导体固有的高度螺旋结构对高效CPL响应至关重要，但这可能导致分子的不对称堆积无序状态，从而造成缺陷或陷阱态，阻碍载流子的迁移，最终导致CPL光电探测器性能的局限，g因子通常小于0.5。为此，需要一种新的策略，在保持单晶半导体优异电荷传输特性的同时，协同增强手性光学响应。此外，基于人工光电突触的神经形态视觉系统因其在降低成像、分类和推理所需的计算能力和时间方面的潜力而受到广泛关注。

有机材料以其可调谐的光学带隙、溶液可加工性和机械灵活性为神经形态电子学提供了新的机遇。特别是有机光电晶体管在神经形态操作中展现出独特优势，因为它们能够通过光脉冲调节突触的可塑性。尽管具备此潜力，迄今为止尚未有关于CPL敏感突触有机光电晶体管器件的相关报道。因此，要实现g因子接近理论极限的高性能有机CPL敏感突触光电晶体管器件，平衡圆偏振光的识别和光电转换效率，依然是一项严峻的挑战。

在这项研究中，研究团队展示了有机二维分子晶体（2DMC）和胆甾相液晶网络（CLCN）薄膜的巧妙集成，形成了双层异质结，以实现高性能的CPL敏感光电突触器件。2DMC周期性有序的分子堆积和分子级厚度增强了激子的有效解离，从而使突触光电晶体管具有3.45 × 10⁴ A W⁻¹的卓越响应率。利用集成在2DMC上的CLCN薄膜固手性光学性能，该装置对CPL表现出明显的突触反应，其不对称因子高达1.97。此外，基于不同兴奋性突触后电流水平的二进制输出状态展示对手性数据鲁棒编码和加密应用。我们在极化神经形态视觉系统中的创新集成增强了光子设备的能力，并为安全视觉数据编码和传输开辟了新的领域。（来源：科学网）

图1：面向神经形态密码学的2DMC/CLCN异质结突触晶体管器件的设计理念。

图2：2DMC的结构表征。

图3：CLCN薄膜的构建与表征。

图4：基于2DMC/CLCN异质结的突触晶体管器件的圆偏振光敏感神经形态行为研究。

图5：基于2DMC/CLCN异质结的神经形态突触光电晶体管设备的信息加密与解密应用。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.101945