季華實驗室與天津大學、華南師范大學合作在具有近理論極限不對稱因子的圓偏光有機異質結突觸光電晶體管研究中取得關鍵進展。近日，相關成果發表于《物質》（Matter）。
圓偏振光作為光的基本屬性之一，其高性能探測器的發展對于實現其多樣化應用至關重要。圓偏振光探測器的關鍵性能指標——不對稱因子（g因子），量化了其在區分左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的光電轉換效率。然而，由于圓偏振光探測器在同時區分手性光并將其轉換為電信號時所面臨的固有權衡，其性能的提高極具挑戰。
具體而言，單晶半導體，因其高的載流子遷移率，表現出優越的光電轉換能力。然而，這些單晶材料通常缺乏固有的圓偏振光靈敏度，需要結合多個光學元件，如四分之一波片和線性偏振器，這對器件的小型化和集成化提出了挑戰。相反，以螺旋、扭曲或不對稱立體中心為特征的手性材料具有感知圓偏振光的能力。迄今為止，采用單一有源手性半導體層的圓偏振光探測器已被開發，但其在平衡圓偏振光辨識和有效電荷傳輸之間常常面臨困難。
面向神經形態密碼學的二維分子晶體/膽甾相液晶網絡異質結突觸晶體管器件的設計理念。研究團隊供圖
手性有機半導體固有的高度螺旋結構對高效圓偏振光響應至關重要，但這可能導致分子的不對稱堆積無序狀態，從而造成缺陷或陷阱態，阻礙載流子的遷移，最終導致圓偏振光光電探測器性能的局限，g因子通常小于0.5。為此，需要一種新的策略，在保持單晶半導體優異電荷傳輸特性的同時，協同增強手性光學響應。此外，基于人工光電突觸的神經形態視覺系統因其在降低成像、分類和推理所需的計算能力和時間方面的潛力而受到廣泛關注。
有機材料以其可調諧的光學帶隙、溶液可加工性和機械靈活性為神經形態電子學提供了新的機遇。特別是有機光電晶體管在神經形態操作中展現出獨特優勢，因為它們能夠通過光脈沖調節突觸的可塑性。盡管具備此潛力，迄今為止尚未有關于圓偏振光敏感突觸有機光電晶體管器件的相關報道。因此，要實現g因子接近理論極限的高性能有機圓偏振光敏感突觸光電晶體管器件，平衡圓偏振光的識別和光電轉換效率，依然是一項嚴峻的挑戰。
該研究中，季華實驗室副研究員張鈺、助理研究員董美秋與天津大學教授胡文平/楊方旭團隊、華南師范大學副研究員袁冬合作，在國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助下，研究展示了有機二維分子晶體和膽甾相液晶網絡薄膜的巧妙集成，形成了雙層異質結，以實現高性能的圓偏振光敏感光電突觸器件。二維分子晶體周期性有序的分子堆積和分子級厚度增強了激子的有效解離，從而使突觸光電晶體管具有3.45×104AW?1的卓越響應率。
論文第一作者張鈺表示，該研究利用集成在二維分子晶體上的膽甾相液晶網絡薄膜固有的手性光學性能，該裝置對圓偏振光表現出明顯的突觸反應，其不對稱因子高達1.97。此外，基于不同興奮性突觸后電流水平的二進制輸出狀態展示對手性數據魯棒編碼和加密應用。
該研究工作在極化神經形態視覺系統中的創新集成增強了光子設備的能力，并為安全視覺數據編碼和傳輸探索了新的路徑。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.101945
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