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Mar 12, 2024

Transistores sinápticos fotônicos com nova camada de captura de elétrons para alto desempenho e ultra

Relatórios Científicos, volume 13, número do artigo: 12583 (2023) Cite este artigo Detalhes de métricas Transistores sinápticos fotônicos estão sendo investigados por suas aplicações potenciais em neuromórficas.

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12583 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

Transistores sinápticos fotônicos estão sendo investigados por suas aplicações potenciais em computação neuromórfica e sistemas de visão artificial. Recentemente, um método para estabelecer um efeito sináptico, evitando a recombinação de pares elétron-buraco, formando uma barreira de energia com uma camada dupla composta por um canal e uma camada de absorção de luz, mostrou resultados eficazes. Relatamos um dispositivo de camada tripla criado pelo revestimento de uma nova camada de captura de elétrons entre a camada de absorção de luz e a camada isolante de portão. Em comparação com a estrutura sináptica fotônica convencional de camada dupla, nosso dispositivo de camada tripla reduz significativamente a taxa de recombinação, resultando em melhor desempenho em termos de fotocorrente de saída e características de memória. Além disso, nosso transistor sináptico fotônico possui excelentes propriedades sinápticas, como facilitação de pulso pareado (PPF), potenciação de curto prazo (STP) e potenciação de longo prazo (LTP), e demonstra uma boa resposta a uma baixa tensão operacional de - 0,1 mV. O experimento de baixo consumo de energia mostra um consumo de energia muito baixo de 0,01375 fJ por pico. Essas descobertas sugerem uma maneira de melhorar o desempenho de futuros dispositivos neuromórficos e sistemas de visão artificial.

O método tradicional de von Neumann é inadequado para processar grandes quantidades de informações geradas instantaneamente e em movimento aleatório porque realiza cálculos seriais e sequenciais através de um único canal. Nesse método tradicional, o processamento de uma grande quantidade de dados pode levar a atrasos e falhas, chamados de gargalos de von Neumann, e a um consumo considerável de energia1,2. Portanto, os pesquisadores se concentraram no cérebro humano, que é altamente integrado e pode processar informações de forma rápida e eficiente. Um único evento sináptico no cérebro humano consome energia muito baixa, de aproximadamente 10 fJ3. Dispositivos sinápticos neuromórficos e que imitam o cérebro têm sido de interesse recente, e vários métodos de baixa potência usando a propriedade de plasticidade foram publicados .

Dispositivos sinápticos orgânicos são atraentes devido ao seu peso leve, processamento em grandes áreas e fabricação fácil e de baixo custo6,7. Em geral, para dispositivos que usam transistor de efeito de campo orgânico (FET) acionado por tensão, onde a porta é modulada por um potencial elétrico, as propriedades sinápticas foram implementadas usando íons movendo-se lentamente dentro do eletrólito. Vários dispositivos ou sistemas altamente funcionais foram implementados usando essas propriedades4,8,9. Um sistema tátil artificial com sensor de pele foi desenvolvido utilizando uma camada ferroelétrica ou um gel iônico10,11. Kim et al. relataram um nervo aferente artificial combinando um sensor de pressão e um gel iônico7.

Recentemente, foram relatados dispositivos sinápticos fotônicos, além de transistores que implementam propriedades sinápticas utilizando tensão de porta6,12,13,14,15. Comparados ao método de condução de tensão, os dispositivos sinápticos fotônicos podem ter ampla largura de banda, velocidade de transmissão rápida e baixo consumo de energia . Esses elementos de sinapse fotônica também podem incorporar visão artificial. Quando o olho humano recebe informações visuais, os fotorreceptores da retina convertem a luz em impulsos elétricos, que são transmitidos através dos nervos para a região do cérebro que cria e armazena imagens. Em um sistema de visão artificial, o dispositivo detecta a luz e a converte em um sinal elétrico para gerar e armazenar informações luminosas17. O transistor sináptico fotônico converte rapidamente um sinal óptico em um sinal elétrico e simultaneamente exibe excelentes propriedades para armazenamento de informações; portanto, recentemente vem atraindo atenção como dispositivo para construção de sistema de visão artificial18.

Muitos materiais, como semicondutores orgânicos18, perovskitas19 e biomateriais ecológicos20, são utilizados como camadas de absorção de luz. Dentre estes, utilizamos uma perovskita haleto inorgânica (CsPbBr3), um material semicondutor com estrutura hexagonal . Como as perovskitas possuem alta eficiência fotoelétrica, elas atraem a atenção para dispositivos ópticos como células solares21 e fotodetectores22. No entanto, são muito vulneráveis ​​à umidade e sua eficiência fotoelétrica diminui significativamente quando expostos à atmosfera por um longo período23. A este respeito, o CsPbBr3 feito de materiais inorgânicos tem melhor estabilidade do que outras perovskitas orgânico-inorgânicas .