仿生視神經可以模擬人類的視覺生理機能，有潛力成為未來視覺障礙疾病的治療手段。光突觸器件能夠對光刺激做出響應，模擬正常視神經功能。本文以全無機鈣鈦礦量子點（CsPbBr3 QDs）修飾聚（3,4-亞乙二氧基噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT∶PSS）有源層，以水溶液為電解質，開發了一種基于有機電化學晶體管（OECT）的光突觸器件。該OECT器件的光開關響應時間為3.7 s，為了提高器件的光響應，采用365 nm、300 mW·cm?2的紫外光源，模擬光脈沖在4 s持續時間下的突觸后電流（0.225 mA），以及光脈沖持續時間為1 s且脈沖間隔1 s條件下的雙脈沖易化等基本突觸行為。該光突觸器件通過改變光刺激的方式，即通過調節光脈沖的強度從180～540 mW·cm?2，持續時間從1～20 s，以及光脈沖數從1～20，使得突觸后電流分別增加了0.350、0.420、0.466 mA，有效地實現了短期突觸可塑性（100 s恢復初始值）到長期突觸可塑性（250 s衰減了最大值的84.3%）的轉變。該光突觸在模擬人類視神經方面具有一定的潛力。
引用本文： 曾平君, 金旭東, 彭鈺博, 趙敏, 高志鵬, 李曉娜, 冀健龍, 陳維毅. 基于鈣鈦礦量子點的仿生視神經. 生物醫學工程學雜志, 2023, 40(3): 522-528. doi: 10.7507/1001-5515.202211045 復制
0 引言
眼睛是一個高質量的信息傳輸通道，人腦80%以上信息通過眼睛獲取[1]。隨著相關治療技術和手段的發展，約80%的視覺障礙已有治療手段，但醫學上仍然面臨著諸如視神經萎縮[2]和視神經病變[3]等視覺疾病的挑戰。人的視覺響應從感受光開始，光從外界進入眼球后聚焦到視網膜，然后將獲得的信息通過生物突觸形式轉換成生物電信號，通過視神經傳導到大腦視皮層[4]。仿生視神經可以將光信號轉化為電信號，繞過病變壞死的組織直接傳送到大腦，由大腦解析信號成像，以實現仿生視覺的生理機能。
突觸裝置是構成仿生視神經的基本單元，以電信號的形式（動作電位）傳遞信息，早期研究熱點在純電信號響應的電突觸器件，如兩端憶阻器、三端場效應晶體管等，但由于此類器件存在高帶寬、延時和功耗大等缺點而使應用受限[5]。研究者嘗試引入光信號調控器件性能，結合氧化物半導體的雙電層晶體管[6-7]、碳納米管的兩端器件[8]和鐵電材料的光突觸晶體管[9]等，由此制造的器件實現了突觸的功能，如短期可塑性（short-term plasticity，STP）、雙脈沖易化性（paired pulse facilitation，PPF）、長期可塑性（long-term plasticity，LTP）、STP到LTP的過渡等基本突觸行為。光電突觸屬于生物突觸中的一種。有研究者通過光電突觸器件實現光感知和記憶功能，用于模擬視覺信息處理和記憶學習等復雜的神經功能。例如，張建華團隊[10]基于有機半導體和鈣鈦礦量子點的光子突觸晶體管，模擬“學習體驗”行為，通過重復的訓練使大腦更容易將模糊的記憶重新喚醒從而實現學習過程。Mathews團隊[11]探索了一種使用全無機溴銫鉛鈣鈦礦量子點（CsPbBr3 QDs）和非晶態銦鎵鋅氧化物半導體活性材料的薄膜晶體管類突觸器件模擬關聯學習，正如巴甫洛夫訓練狗這樣關于關聯學習的代表性實驗，通過反復刺激訓練建立非條件反射到條件反射的過程。李潤偉團隊[1]使用一種銦—氧化錫/鈮摻雜的鈦酸鍶（ITO/Nb∶SrTiO3）異質結人工光電突觸設備，通過設置適當的外加電壓值，將異質結器件在不同光強條件下的光響應結果調制為相同電流值，實現對瞳孔自適應性的模擬，從而來適應外部環境等。但目前這類器件生物相容性效果不理想，不利于將此類光電突觸設備與生物體相互作用。
因此，亦有研究者嘗試基于有機電化學晶體管（organic electrochemical transistors，OECT）制造光突觸器件。OECT類似于生物突觸，由源極、漏極、柵極和電解質組成[12]，其中源漏極模擬突觸后膜，柵極模擬突觸前膜，電解質模擬突觸間隙。OECT的工作方式通過調控柵極電壓驅動溶液中離子在導電聚合物內的傳輸，實現導電層發生與輸入信號有關的電化學摻雜/去摻雜，實現生物相容性[13-16]。Jonathan團隊[17]通過將OECT與一個作為分壓器的光敏電阻串聯來響應光刺激，模擬了兩個物理輸入的聯想學習的神經形態電路，但由于器件外加電阻導致電路集成度低。
本研究通過在OECT器件上旋涂全無機鈣鈦礦量子點（CsPbBr3 quantum dots，CsPbBr3 QDs）制作光突觸器件，并在光照時間、光照強度和柵極電壓等多變量控制條件下，實現對STP、PPF、LTP以及STP到LTP的過渡等基本突觸行為的模擬，為進一步研究制造行之有效的可臨床或工業化應用的仿生視神經器件提供新的理論與實踐基礎。
1 實驗部分
1.1 儀器和試劑
雙端口源表（Keithley 2636B，Tektronix Company，美國），真空干燥箱（上海-恒科學儀器有限公司，中國），勻膠機［EZ4，安塞斯（中國）有限公司］，濃硫酸（18.4 mol·L?1 H2SO4，國藥集團化學試劑有限公司，中國），無水乙醇（國藥集團化學試劑有限公司，中國），（3-縮水甘油丙氧基）三甲氧基硅烷（GOPS，默克，中國），十二烷基苯磺酸（DBSA，默克，中國），乙二醇（EG，阿拉丁，中國），聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT∶PSS Clevios pH1000，西安寶萊特光電科技有限公司，中國)。
1.2 實驗方法
1.2.1 制備過程
首先采用光刻技術制備芯片，以二氧化硅為基底，熱沉積金（Au）金屬層，沉積Au厚度為300 nm，制備OECT結構的源漏電極溝道。之后將制備好的OECT器件使用乙醇和去離子水中清洗，取2 000 μL PEDOT∶PSS、1 μL DBSA、10 μL EG、2 μL GOPS混合在一起，攪拌過夜，以轉速1 500 r/min、80 s旋涂后，在130 ℃干燥箱中干燥15 min，然后快速滴加10 μL濃硫酸（18.4 mol·L?1）于溝道上側，目的是提高PEDOT∶PSS半導體薄膜的穩定性[18]，之后用去離子水除去殘留的濃硫酸，并在室溫下放置24 h備用。將之前報道合成的CsPbBr3 QDs溶液[19]以一定旋轉速度旋涂到PEDOT∶PSS膜上，在常溫下放置0.5 h，作為光敏感層。
1.2.2 器件結構
在二氧化硅片上熱沉積Au金屬層，有機半導體溝道長度（L）和寬度（W）分別為：L = 13 μm，W = 10 μm，如圖1a所示。將聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT∶PSS）旋涂在電極上作為有源層，然后將全無機鈣鈦礦量子點（CsPbBr3 QDs）旋涂在溝道上作為光敏感層，再使用氯化鈉溶液（0.1 mol·L?1 NaCl）滴在CsPbBr3 QDs膜上作為電解質，最后將氧化銦錫（indium tin oxide，ITO）作為頂部柵極。有機半導體溝道到頂部柵極的高度（H）為：H = 1 mm，結構示意圖如圖1b和圖1c所示，構成OECT仿生視神經光突觸器件。
圖1
OECT仿生視神經光突觸器件結構
a. 微電極實物圖；b. ITO柵極的OECT測試裝置實物圖；c. 器件結構示意圖
Figure1. OECT biomimetic optic nerve optical synaptic device structurea. physical diagram of microelectrode; b. physical diagram of OECT test device of ITO gate; c. schematic diagram of device structure
2 結果與討論
2.1 有機電化學晶體管光響應特性的表征
如圖2a所示，電極表面的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）圖像表現出均勻的CsPbBr3 QDs形貌。在利用半導體材料作為吸光層時，其光吸收特性決定了器件光響應特性。圖2b展示了CsPbBr3 QDs薄膜在 200～550 nm范圍內的光吸收圖譜，如圖可見從250～550 nm，CsPbBr3 QDs薄膜對光的吸收整體呈現一個下降的趨勢，并且在512 nm有吸收峰。為了提高器件的光響應，采用波長為365 nm、光功率為300 mW·cm?2的單色紫外光源，這樣能使光照下半導體層中產生大量的光生載流子，促使溝道中載流子濃度增加，提高光響應。
圖2
CsPbBr3 QDs 的表征
a. CsPbBr3 QDs的SEM圖；b. CsPbBr3 QDs薄膜的紫外-可見吸收光譜圖
Figure2. Characterization of CsPbBr3 QDsa. SEM image of CsPbBr3 QDs; b. UV-vis absorption spectra of CsPbBr3 QDs films
2.2 有機電化學晶體管的光突觸性能測試
突觸結構示意圖如圖3a所示。突觸是兩個神經元之間的功能紐帶，突觸前神經元釋放神經遞質通過突觸間隙作用于突觸后膜上的受體，從而引起突觸后神經元發生興奮或抑制反應，產生突觸后電流（post synaptic current，PSC）。在OECT中，柵極類似突觸的前神經元，陽離子類似神經遞質，電解質類似突觸間隙，源漏溝道模擬突觸后神經元的作用。施加柵極偏置后，溝道導電率隨著有源層摻雜水平變化。調節溝道導電狀態模擬生物突觸的基本行為如圖3b所示。當給OECT施加正柵極電壓時，電解質NaCl溶液中的Na+將在外加電場力的作用從NaCl溶液中移動到導電溝道層PEDOT∶PSS中，并與導電溝道層中的PSS磺酸鹽陰離子通過離子鍵的作用相互結合在一起[20]。此時，由于導電溝道層PEDOT∶PSS中的部分PSS磺酸鹽陰離子與Na+相互補償，導致有機半導體膜中可自由移動空穴數量減少，源極和漏極之間的電流降低。
圖3
突觸結構和器件結構示意圖
a. 生物突觸示意圖；b. OECT器件結構示意圖
Figure3. Schematic diagram of synaptic structure and device structurea. schematic diagram of biological synapses; b. schematic diagram of OECT device structure
全無機CsPbBr3 QDs具有光吸收系數較大、載流子壽命和擴散長度較長等優點，是潛在的光突觸器件的候選光敏感材料。該器件中的CsPbBr3 QDs和PEDOT∶PSS分別是n型半導體材料（為電子導電型）和p型半導體（為空穴導電型）。當給予器件光刺激時，如圖4a所示，CsPbBr3 QDs產生的光生電子進入到PEDOT∶PSS中，并與PEDOT∶PSS中的空穴結合形成電子-空穴對，使源漏電流減小。去除光照后，CsPbBr3 QDs中不再有光生載流子的產生，同時在電場作用下，電子和空穴分開，PEDOT∶PSS溝道中的空穴增加導致電流變大。
圖4
光突觸器件工作原理及光響應特性
a. 光照時和光照后電子和空穴變化示意圖；b. 由光脈沖（365 nm，300 mW·cm-2，持續時間4 s）觸發的突觸后電流行為；c. 不同光照時間下的電流變化
Figure4. The working principle and light response characteristics of optical synaptic devicesa. schematic of electron and hole changes during and after illumination; b. postsynaptic current behavior triggered by a light pulse (365 nm, 300 mW·cm-2, duration of 4 s); c. current changes at different illumination times
圖4b顯示了我們的光突觸器件的光響應特性，當它接受365 nm、時間為4 s的光刺激時，由于光刺激CsPbBr3 QDs產生的電子進入到PEDOT∶PSS中并與PEDOT∶PSS中的空穴結合形成電子-空穴對，導致電流負向從4.775 mA減小到4.550 mA。當在黑暗條件下，CsPbBr3 QDs不再產生電子，同時，PEDOT∶PSS中的電子-空穴對在電場力的作用下分開，使得PEDOT∶PSS中的空穴增加導致電流增大，說明器件具有很好的光敏性。圖4c顯示，隨著光照時間增加，ΔPSC（定義為PSC峰值的變化）逐漸增大，當光脈沖寬度小于10 s時，ΔPSC顯著增加，是由于CsPbBr3 QDs中產生的電子持續不斷地進入到PEDOT∶PSS中；當光脈沖寬度大于10 s時，溝道中的空穴和CsPbBr3 QDs電子結合達到飽和狀態，光刺激產生的電子不再進入到PEDOT∶PSS中，從而導致ΔPSC增加緩慢。結果顯示該器件可以很好地模擬人類突觸行為。
突觸可塑性是大腦識別、學習和記憶的基石。突觸可塑性可以通過刺激下突觸權重的變化來實現[21-22]。一般來說，突觸可塑性根據保留時間的不同可分為STP和LTP。STP是一種時間突觸權重調制過程，PSC在短時間學習后恢復到原來的狀態。PPF效應是STP的一種形式，代表了一種突觸過程，由于連續兩個突觸前脈沖的刺激，突觸反應可以得到增強，這與視覺信號的時間信息的識別和解碼有關。
圖5a顯示了PPF行為，通過向器件施加光脈沖（365 nm，300 mW·cm?2，脈沖持續時間為1 s，脈沖間隔?t=1 s）實現雙脈沖易化。在該器件中，顯示第二光響應電流值（A2）明顯高于由第一光脈沖（A1）引起的電流值，第一個光脈沖照射到突觸裝置時，在鈣鈦礦量子點膜中產生光生載流子，電子進入PEDOT∶PSS中，導致ΔPSC增加。由于CsPbBr3 QDs和PEDOT∶PSS的能帶差異，CsPbBr3 QDs薄膜中被俘獲的電子在關燈后需要很長時間才能恢復。當施加第二個脈沖（A2）時，更多PEDOT∶PSS中被俘獲的空穴會產生更高的ΔPSC，因此更多的光生載流子將積累。雙脈沖易化指數（PPF index）就是衡量PSC增益的參數，可以描述為式(1)：
圖5
光突觸器件的短期可塑性
a. 由間隔為1 s（365 nm，300 mW·cm-2，持續時間為 1 s）的兩個連續光脈沖激發的PSC；b. PPF指數作為光脈沖對時間間隔的函數；c-d. 不同光照強度下變化的ΔPSC
Figure5. Short-term plasticity of photosynaptic devicesa. a PSC excited by two continuous pulses of light with an interval of 1 s (365 nm, 300 mW·cm−2, duration of 1 s); b. the PPF index is a function of the time interval between light pulses; c-d. ΔPSC change with different light intensity
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圖5b顯示了器件在光脈沖條件下（365 nm，300 mW·cm?2，脈沖持續時間為1 s，脈沖間隔2 s ≤ ?t ≤ 30 s）的PPF Index。可以得出PPF Index隨著兩個脈沖時間間隔的增大而減小，變化趨勢可由雙指數衰退方程進行擬合，如式(2)所示：
 |
其中，?t為脈沖時間間隔，C1和C2分別為快速衰退階段和緩慢衰退階段的初始易化率，τ1和τ2分別為對應階段的特征時間常數。根據對PPF index 變化趨勢圖進行擬合，得出：C1 = 16.38%，C2 = 16.50%，τ1 = 7.309 49 s，τ2 =7.309 40 s，圖5b擬合結果與數據吻合良好。除了改變雙脈沖時間間隔模擬STP，還能通過不同光照強度模擬STP。圖5c顯示，當光照強度為180、300、420、540 mW·cm?2時，ΔPSC峰逐漸由低向高變化（ΔPSC的衰減時間與ΔPSC峰成正比），隨著光照強度的增加（圖5d），ΔPSC值逐漸增大。驗證了前人發現的強光照時在累積調制過程中刺激了突觸可塑性，ΔPSC變化隨著光照強度增加而增大，類似于人類的學習能力加強。
2.3 有機電化學晶體管實現從短期可塑性到長期可塑性的轉變
從STP到LTP的轉變被認為是生物記憶和學習的基礎。一般來說，這種轉變可以通過反復的排練活動來實現[23]。我們施加一系列的刺激來增強STP并計算PSC，來研究從STP到LTP的轉變。如圖6a所示，當光脈沖寬度從1 s增加到20 s時，ΔPSC增強的同時1 s的光脈沖在80 s內就恢復到基線水平，而20 s的光脈沖在250 s時ΔPSC衰減了最大值的84.3%。同樣的，如圖6b所示，當光脈沖數目從1增加到20時，電流ΔPSC增強的同時1個光脈沖在100 s內就恢復到基線水平，而20個光脈沖在250 s時ΔPSC衰減了最大值的91.3%。此外，在不同柵極電壓下的PSC變化行為如圖6c所示，可以看出ΔPSC隨著柵極電壓的減小而變小，飽和度也隨著柵極電壓的變小而變小。表明通過改變光脈沖數目、光脈沖寬度、調節不同柵極電壓等方式，可以實現從STP到LTP的轉變。使用光突觸器件模擬人腦的學習記憶，如圖6d所示，第一次學習時間是114 s，達到一定的記憶水平后367 s忘記，再次學習49 s到達第一次學習水平，再于495 s后忘記，通過反復練習使得學習速度逐漸變快以及忘記速度逐漸變慢。這類似于人類的學習記憶和忘記過程，并為將來模擬人腦學習奠定了基礎。
圖6
光突觸器件從短期可塑性到長期可塑性的轉變
a.不同光脈沖寬度的ΔPSC曲線；b. 不同光脈沖數目的ΔPSC曲線 ；c. 不同柵極電壓下的ΔPSC曲線；d. 模擬人腦的學習記憶
Figure6. The transition of photosynaptic devices from short-term plasticity to long-term plasticitya. ΔPSC curves for different light pulse widths; b. ΔPSC curves for different number of light pulses; c. ΔPSC curves at different gate voltages; d. simulating the learning memory of the human brain
3 結論
本文以PEDOT∶PSS為有源層材料，以無機鈣鈦礦量子點材料制備了具有光刺激模擬生物突觸功能的OECT，研究了該器件在波長365 nm、光強300 mW·cm?2的光照下的PSC和PPF等行為，通過調節光照時間、光照強度和柵極電壓實現了從STP到LTP的轉變。本研究將為仿生視神經器件的發展提供新的理論與實踐基礎。
重要聲明
利益沖突說明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：曾平君是本研究的實驗設計者及實驗研究的執行人，負責數據收集、數據分析、論文寫作；金旭東參與本研究鈣鈦礦量子點材料的合成；彭鈺博參與本研究數據收集、數據分析；趙敏參與本研究的實驗設計，數據分析；高志鵬是本研究的構思者，參與實驗設計、論文寫作與修改；李曉娜是本研究的負責人并指導論文寫作；冀健龍參與本研究實驗設計、數據分析、論文寫作與修改；陳維毅參與指導論文寫作。
0 引言
眼睛是一個高質量的信息傳輸通道，人腦80%以上信息通過眼睛獲取[1]。隨著相關治療技術和手段的發展，約80%的視覺障礙已有治療手段，但醫學上仍然面臨著諸如視神經萎縮[2]和視神經病變[3]等視覺疾病的挑戰。人的視覺響應從感受光開始，光從外界進入眼球后聚焦到視網膜，然后將獲得的信息通過生物突觸形式轉換成生物電信號，通過視神經傳導到大腦視皮層[4]。仿生視神經可以將光信號轉化為電信號，繞過病變壞死的組織直接傳送到大腦，由大腦解析信號成像，以實現仿生視覺的生理機能。
突觸裝置是構成仿生視神經的基本單元，以電信號的形式（動作電位）傳遞信息，早期研究熱點在純電信號響應的電突觸器件，如兩端憶阻器、三端場效應晶體管等，但由于此類器件存在高帶寬、延時和功耗大等缺點而使應用受限[5]。研究者嘗試引入光信號調控器件性能，結合氧化物半導體的雙電層晶體管[6-7]、碳納米管的兩端器件[8]和鐵電材料的光突觸晶體管[9]等，由此制造的器件實現了突觸的功能，如短期可塑性（short-term plasticity，STP）、雙脈沖易化性（paired pulse facilitation，PPF）、長期可塑性（long-term plasticity，LTP）、STP到LTP的過渡等基本突觸行為。光電突觸屬于生物突觸中的一種。有研究者通過光電突觸器件實現光感知和記憶功能，用于模擬視覺信息處理和記憶學習等復雜的神經功能。例如，張建華團隊[10]基于有機半導體和鈣鈦礦量子點的光子突觸晶體管，模擬“學習體驗”行為，通過重復的訓練使大腦更容易將模糊的記憶重新喚醒從而實現學習過程。Mathews團隊[11]探索了一種使用全無機溴銫鉛鈣鈦礦量子點（CsPbBr3 QDs）和非晶態銦鎵鋅氧化物半導體活性材料的薄膜晶體管類突觸器件模擬關聯學習，正如巴甫洛夫訓練狗這樣關于關聯學習的代表性實驗，通過反復刺激訓練建立非條件反射到條件反射的過程。李潤偉團隊[1]使用一種銦—氧化錫/鈮摻雜的鈦酸鍶（ITO/Nb∶SrTiO3）異質結人工光電突觸設備，通過設置適當的外加電壓值，將異質結器件在不同光強條件下的光響應結果調制為相同電流值，實現對瞳孔自適應性的模擬，從而來適應外部環境等。但目前這類器件生物相容性效果不理想，不利于將此類光電突觸設備與生物體相互作用。
因此，亦有研究者嘗試基于有機電化學晶體管（organic electrochemical transistors，OECT）制造光突觸器件。OECT類似于生物突觸，由源極、漏極、柵極和電解質組成[12]，其中源漏極模擬突觸后膜，柵極模擬突觸前膜，電解質模擬突觸間隙。OECT的工作方式通過調控柵極電壓驅動溶液中離子在導電聚合物內的傳輸，實現導電層發生與輸入信號有關的電化學摻雜/去摻雜，實現生物相容性[13-16]。Jonathan團隊[17]通過將OECT與一個作為分壓器的光敏電阻串聯來響應光刺激，模擬了兩個物理輸入的聯想學習的神經形態電路，但由于器件外加電阻導致電路集成度低。
本研究通過在OECT器件上旋涂全無機鈣鈦礦量子點（CsPbBr3 quantum dots，CsPbBr3 QDs）制作光突觸器件，并在光照時間、光照強度和柵極電壓等多變量控制條件下，實現對STP、PPF、LTP以及STP到LTP的過渡等基本突觸行為的模擬，為進一步研究制造行之有效的可臨床或工業化應用的仿生視神經器件提供新的理論與實踐基礎。
1 實驗部分
1.1 儀器和試劑
雙端口源表（Keithley 2636B，Tektronix Company，美國），真空干燥箱（上海-恒科學儀器有限公司，中國），勻膠機［EZ4，安塞斯（中國）有限公司］，濃硫酸（18.4 mol·L?1 H2SO4，國藥集團化學試劑有限公司，中國），無水乙醇（國藥集團化學試劑有限公司，中國），（3-縮水甘油丙氧基）三甲氧基硅烷（GOPS，默克，中國），十二烷基苯磺酸（DBSA，默克，中國），乙二醇（EG，阿拉丁，中國），聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT∶PSS Clevios pH1000，西安寶萊特光電科技有限公司，中國)。
1.2 實驗方法
1.2.1 制備過程
首先采用光刻技術制備芯片，以二氧化硅為基底，熱沉積金（Au）金屬層，沉積Au厚度為300 nm，制備OECT結構的源漏電極溝道。之后將制備好的OECT器件使用乙醇和去離子水中清洗，取2 000 μL PEDOT∶PSS、1 μL DBSA、10 μL EG、2 μL GOPS混合在一起，攪拌過夜，以轉速1 500 r/min、80 s旋涂后，在130 ℃干燥箱中干燥15 min，然后快速滴加10 μL濃硫酸（18.4 mol·L?1）于溝道上側，目的是提高PEDOT∶PSS半導體薄膜的穩定性[18]，之后用去離子水除去殘留的濃硫酸，并在室溫下放置24 h備用。將之前報道合成的CsPbBr3 QDs溶液[19]以一定旋轉速度旋涂到PEDOT∶PSS膜上，在常溫下放置0.5 h，作為光敏感層。
1.2.2 器件結構
在二氧化硅片上熱沉積Au金屬層，有機半導體溝道長度（L）和寬度（W）分別為：L = 13 μm，W = 10 μm，如圖1a所示。將聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT∶PSS）旋涂在電極上作為有源層，然后將全無機鈣鈦礦量子點（CsPbBr3 QDs）旋涂在溝道上作為光敏感層，再使用氯化鈉溶液（0.1 mol·L?1 NaCl）滴在CsPbBr3 QDs膜上作為電解質，最后將氧化銦錫（indium tin oxide，ITO）作為頂部柵極。有機半導體溝道到頂部柵極的高度（H）為：H = 1 mm，結構示意圖如圖1b和圖1c所示，構成OECT仿生視神經光突觸器件。
圖1
OECT仿生視神經光突觸器件結構
a. 微電極實物圖；b. ITO柵極的OECT測試裝置實物圖；c. 器件結構示意圖
Figure1. OECT biomimetic optic nerve optical synaptic device structurea. physical diagram of microelectrode; b. physical diagram of OECT test device of ITO gate; c. schematic diagram of device structure
2 結果與討論
2.1 有機電化學晶體管光響應特性的表征
如圖2a所示，電極表面的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）圖像表現出均勻的CsPbBr3 QDs形貌。在利用半導體材料作為吸光層時，其光吸收特性決定了器件光響應特性。圖2b展示了CsPbBr3 QDs薄膜在 200～550 nm范圍內的光吸收圖譜，如圖可見從250～550 nm，CsPbBr3 QDs薄膜對光的吸收整體呈現一個下降的趨勢，并且在512 nm有吸收峰。為了提高器件的光響應，采用波長為365 nm、光功率為300 mW·cm?2的單色紫外光源，這樣能使光照下半導體層中產生大量的光生載流子，促使溝道中載流子濃度增加，提高光響應。
圖2
CsPbBr3 QDs 的表征
a. CsPbBr3 QDs的SEM圖；b. CsPbBr3 QDs薄膜的紫外-可見吸收光譜圖
Figure2. Characterization of CsPbBr3 QDsa. SEM image of CsPbBr3 QDs; b. UV-vis absorption spectra of CsPbBr3 QDs films
2.2 有機電化學晶體管的光突觸性能測試
突觸結構示意圖如圖3a所示。突觸是兩個神經元之間的功能紐帶，突觸前神經元釋放神經遞質通過突觸間隙作用于突觸后膜上的受體，從而引起突觸后神經元發生興奮或抑制反應，產生突觸后電流（post synaptic current，PSC）。在OECT中，柵極類似突觸的前神經元，陽離子類似神經遞質，電解質類似突觸間隙，源漏溝道模擬突觸后神經元的作用。施加柵極偏置后，溝道導電率隨著有源層摻雜水平變化。調節溝道導電狀態模擬生物突觸的基本行為如圖3b所示。當給OECT施加正柵極電壓時，電解質NaCl溶液中的Na+將在外加電場力的作用從NaCl溶液中移動到導電溝道層PEDOT∶PSS中，并與導電溝道層中的PSS磺酸鹽陰離子通過離子鍵的作用相互結合在一起[20]。此時，由于導電溝道層PEDOT∶PSS中的部分PSS磺酸鹽陰離子與Na+相互補償，導致有機半導體膜中可自由移動空穴數量減少，源極和漏極之間的電流降低。
圖3
突觸結構和器件結構示意圖
a. 生物突觸示意圖；b. OECT器件結構示意圖
Figure3. Schematic diagram of synaptic structure and device structurea. schematic diagram of biological synapses; b. schematic diagram of OECT device structure
全無機CsPbBr3 QDs具有光吸收系數較大、載流子壽命和擴散長度較長等優點，是潛在的光突觸器件的候選光敏感材料。該器件中的CsPbBr3 QDs和PEDOT∶PSS分別是n型半導體材料（為電子導電型）和p型半導體（為空穴導電型）。當給予器件光刺激時，如圖4a所示，CsPbBr3 QDs產生的光生電子進入到PEDOT∶PSS中，并與PEDOT∶PSS中的空穴結合形成電子-空穴對，使源漏電流減小。去除光照后，CsPbBr3 QDs中不再有光生載流子的產生，同時在電場作用下，電子和空穴分開，PEDOT∶PSS溝道中的空穴增加導致電流變大。
圖4
光突觸器件工作原理及光響應特性
a. 光照時和光照后電子和空穴變化示意圖；b. 由光脈沖（365 nm，300 mW·cm-2，持續時間4 s）觸發的突觸后電流行為；c. 不同光照時間下的電流變化
Figure4. The working principle and light response characteristics of optical synaptic devicesa. schematic of electron and hole changes during and after illumination; b. postsynaptic current behavior triggered by a light pulse (365 nm, 300 mW·cm-2, duration of 4 s); c. current changes at different illumination times
圖4b顯示了我們的光突觸器件的光響應特性，當它接受365 nm、時間為4 s的光刺激時，由于光刺激CsPbBr3 QDs產生的電子進入到PEDOT∶PSS中并與PEDOT∶PSS中的空穴結合形成電子-空穴對，導致電流負向從4.775 mA減小到4.550 mA。當在黑暗條件下，CsPbBr3 QDs不再產生電子，同時，PEDOT∶PSS中的電子-空穴對在電場力的作用下分開，使得PEDOT∶PSS中的空穴增加導致電流增大，說明器件具有很好的光敏性。圖4c顯示，隨著光照時間增加，ΔPSC（定義為PSC峰值的變化）逐漸增大，當光脈沖寬度小于10 s時，ΔPSC顯著增加，是由于CsPbBr3 QDs中產生的電子持續不斷地進入到PEDOT∶PSS中；當光脈沖寬度大于10 s時，溝道中的空穴和CsPbBr3 QDs電子結合達到飽和狀態，光刺激產生的電子不再進入到PEDOT∶PSS中，從而導致ΔPSC增加緩慢。結果顯示該器件可以很好地模擬人類突觸行為。
突觸可塑性是大腦識別、學習和記憶的基石。突觸可塑性可以通過刺激下突觸權重的變化來實現[21-22]。一般來說，突觸可塑性根據保留時間的不同可分為STP和LTP。STP是一種時間突觸權重調制過程，PSC在短時間學習后恢復到原來的狀態。PPF效應是STP的一種形式，代表了一種突觸過程，由于連續兩個突觸前脈沖的刺激，突觸反應可以得到增強，這與視覺信號的時間信息的識別和解碼有關。
圖5a顯示了PPF行為，通過向器件施加光脈沖（365 nm，300 mW·cm?2，脈沖持續時間為1 s，脈沖間隔?t=1 s）實現雙脈沖易化。在該器件中，顯示第二光響應電流值（A2）明顯高于由第一光脈沖（A1）引起的電流值，第一個光脈沖照射到突觸裝置時，在鈣鈦礦量子點膜中產生光生載流子，電子進入PEDOT∶PSS中，導致ΔPSC增加。由于CsPbBr3 QDs和PEDOT∶PSS的能帶差異，CsPbBr3 QDs薄膜中被俘獲的電子在關燈后需要很長時間才能恢復。當施加第二個脈沖（A2）時，更多PEDOT∶PSS中被俘獲的空穴會產生更高的ΔPSC，因此更多的光生載流子將積累。雙脈沖易化指數（PPF index）就是衡量PSC增益的參數，可以描述為式(1)：
圖5
光突觸器件的短期可塑性
a. 由間隔為1 s（365 nm，300 mW·cm-2，持續時間為 1 s）的兩個連續光脈沖激發的PSC；b. PPF指數作為光脈沖對時間間隔的函數；c-d. 不同光照強度下變化的ΔPSC
Figure5. Short-term plasticity of photosynaptic devicesa. a PSC excited by two continuous pulses of light with an interval of 1 s (365 nm, 300 mW·cm−2, duration of 1 s); b. the PPF index is a function of the time interval between light pulses; c-d. ΔPSC change with different light intensity
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圖5b顯示了器件在光脈沖條件下（365 nm，300 mW·cm?2，脈沖持續時間為1 s，脈沖間隔2 s ≤ ?t ≤ 30 s）的PPF Index。可以得出PPF Index隨著兩個脈沖時間間隔的增大而減小，變化趨勢可由雙指數衰退方程進行擬合，如式(2)所示：
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其中，?t為脈沖時間間隔，C1和C2分別為快速衰退階段和緩慢衰退階段的初始易化率，τ1和τ2分別為對應階段的特征時間常數。根據對PPF index 變化趨勢圖進行擬合，得出：C1 = 16.38%，C2 = 16.50%，τ1 = 7.309 49 s，τ2 =7.309 40 s，圖5b擬合結果與數據吻合良好。除了改變雙脈沖時間間隔模擬STP，還能通過不同光照強度模擬STP。圖5c顯示，當光照強度為180、300、420、540 mW·cm?2時，ΔPSC峰逐漸由低向高變化（ΔPSC的衰減時間與ΔPSC峰成正比），隨著光照強度的增加（圖5d），ΔPSC值逐漸增大。驗證了前人發現的強光照時在累積調制過程中刺激了突觸可塑性，ΔPSC變化隨著光照強度增加而增大，類似于人類的學習能力加強。
2.3 有機電化學晶體管實現從短期可塑性到長期可塑性的轉變
從STP到LTP的轉變被認為是生物記憶和學習的基礎。一般來說，這種轉變可以通過反復的排練活動來實現[23]。我們施加一系列的刺激來增強STP并計算PSC，來研究從STP到LTP的轉變。如圖6a所示，當光脈沖寬度從1 s增加到20 s時，ΔPSC增強的同時1 s的光脈沖在80 s內就恢復到基線水平，而20 s的光脈沖在250 s時ΔPSC衰減了最大值的84.3%。同樣的，如圖6b所示，當光脈沖數目從1增加到20時，電流ΔPSC增強的同時1個光脈沖在100 s內就恢復到基線水平，而20個光脈沖在250 s時ΔPSC衰減了最大值的91.3%。此外，在不同柵極電壓下的PSC變化行為如圖6c所示，可以看出ΔPSC隨著柵極電壓的減小而變小，飽和度也隨著柵極電壓的變小而變小。表明通過改變光脈沖數目、光脈沖寬度、調節不同柵極電壓等方式，可以實現從STP到LTP的轉變。使用光突觸器件模擬人腦的學習記憶，如圖6d所示，第一次學習時間是114 s，達到一定的記憶水平后367 s忘記，再次學習49 s到達第一次學習水平，再于495 s后忘記，通過反復練習使得學習速度逐漸變快以及忘記速度逐漸變慢。這類似于人類的學習記憶和忘記過程，并為將來模擬人腦學習奠定了基礎。
圖6
光突觸器件從短期可塑性到長期可塑性的轉變
a.不同光脈沖寬度的ΔPSC曲線；b. 不同光脈沖數目的ΔPSC曲線 ；c. 不同柵極電壓下的ΔPSC曲線；d. 模擬人腦的學習記憶
Figure6. The transition of photosynaptic devices from short-term plasticity to long-term plasticitya. ΔPSC curves for different light pulse widths; b. ΔPSC curves for different number of light pulses; c. ΔPSC curves at different gate voltages; d. simulating the learning memory of the human brain
3 結論
本文以PEDOT∶PSS為有源層材料，以無機鈣鈦礦量子點材料制備了具有光刺激模擬生物突觸功能的OECT，研究了該器件在波長365 nm、光強300 mW·cm?2的光照下的PSC和PPF等行為，通過調節光照時間、光照強度和柵極電壓實現了從STP到LTP的轉變。本研究將為仿生視神經器件的發展提供新的理論與實踐基礎。
重要聲明
利益沖突說明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：曾平君是本研究的實驗設計者及實驗研究的執行人，負責數據收集、數據分析、論文寫作；金旭東參與本研究鈣鈦礦量子點材料的合成；彭鈺博參與本研究數據收集、數據分析；趙敏參與本研究的實驗設計，數據分析；高志鵬是本研究的構思者，參與實驗設計、論文寫作與修改；李曉娜是本研究的負責人并指導論文寫作；冀健龍參與本研究實驗設計、數據分析、論文寫作與修改；陳維毅參與指導論文寫作。
