编辑推荐：
这篇综述全面探讨了卤化物钙钛矿在仿生突触中的前沿应用。它系统阐述了钙钛矿材料在操控离子与电子电荷方面的独特优势，以及如何通过其可调特性设计多种器件架构，实现高性能的类脑神经形态计算。文章不仅总结了关键的性能指标和潜在应用，还重点剖析了离子迁移和载流子俘获两大核心机制。最后，作者指明了将此类仿生突触硬件扩展到实际系统所面临的关键挑战，并提出了未来发展的路线图。
1. 引言
随着物联网的快速发展，数据量呈指数级增长，对数据处理任务的能效和处理速度提出了苛刻要求，这迫切需要改变信息处理范式以克服传统计算系统固有的冯·诺依曼瓶颈。受人类大脑启发的神经形态计算被公认为是解决后摩尔时代功耗与延迟限制的有前景方案。该策略旨在利用固态平台复现人脑非凡的计算能力，其特点是存储器、处理单元乃至传感器之间没有明显的界限。神经形态计算的核心是仿生突触，它们源自生物突触的功能与动态，集成了记忆与计算。通过实现原位向量矩阵乘法，仿生突触为人造神经网络的硬件赋能，提供强大的数据并行处理能力，从根本上实现了计算能力和能效的重大提升。
钙钛矿材料集无机与有机半导体的优点于一身，为仿生突触提供了理想的材料平台。卤化物钙钛矿以其独特的本征能力，能够同时操控离子和电子电荷，因其易于溶液加工和卓越的性能而受到全球研究人员的广泛关注。基于卤化物钙钛矿的仿生突触器件已显示出令人鼓舞的初步成果。自黄的研究团队于2016年首次报道钙钛矿仿生突触以来，该领域已取得快速进展，功能性层材料和器件架构的选择也日益多样化。
2. 用于神经形态计算的仿生突触
神经形态计算范式旨在模拟人脑的分层结构，提出了两种实现范式：近传感器神经形态计算和传感器内神经形态计算。前者是将处理单元置于传感器旁边，而后者则是将处理功能嵌入到传感器内部，从而进一步消除了传感器与处理器之间的接口。在这两种架构中，仿生突触阵列作为核心硬件加速器，能够高效地执行向量矩阵乘法（VMM）运算。这些仿生突触模拟生物突触的动态特性，是实现类脑神经形态计算的基础单元，其关键特性包括模拟多种突触可塑性。
2.1. 突触可塑性
仿生突触的核心特征之一是能够模拟突触可塑性，这是实现学习和记忆功能的基础。突触权重是智能功能实现的基石，通常以电导形式体现，表现为兴奋性突触后电流（EPSC）和抑制性突触后电流（IPSC）。
- •
短时可塑性（STP）：其权重变化可持续数毫秒至数分钟。其中，双脉冲易化（PPF）是一个重要实例，当施加两个连续刺激时，第二个刺激引发的响应幅度大于第一个。反之，则为双脉冲抑制（PPD）。PPF在信息处理和解释中至关重要，有助于后续图像预处理的对比度增强。
- •
长时可塑性（LTP）：涉及可持续数小时甚至更久的权重变化。它赋予系统处理基于频率信号的能力，在人工神经网络的识别过程中扮演关键角色。突触可塑性从短期到长期的转变可以通过调整脉冲参数来精确建模，这包括脉冲强度依赖性可塑性（SIDP）、脉冲数量依赖性可塑性（SNDP）、脉冲频率依赖性可塑性（SRDP）和脉冲宽度依赖性可塑性（SWDP）。在一系列脉冲编程后，可以获得长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）曲线。
- •
脉冲时序依赖性可塑性（STDP）：这是信息处理领域的关键突触学习机制。它描述了突触权重变化与脉冲时间差之间的相关性，具体有四种类型：非对称赫布学习规则、非对称反赫布学习规则、对称赫布学习规则和对称反赫布学习规则。
2.2. 性能指标
评估仿生突触的性能指标多样，主要可分为两大类：突触器件特有指标（包括能耗、PPF指数、动态范围、状态数量、线性度、对称性）以及与存储器件共有的指标（包括耐久性、保持特性、变异性、良率）。不同指标的重要性与具体应用紧密相关。在学习过程中，需要精确调整电导状态，因此与器件长时程可塑性相关的指标（如动态范围、电导状态数量、线性度、对称性）是首要考量因素。在推理过程中，稳定性至关重要，因此对动态范围、良率和耐久性提出了更严格的要求。
3. 卤化物钙钛矿突触的基础
卤化物钙钛矿是一类具有ABX3通式的离子半导体材料，其组分（A、B、X位点）具有高度可调性，从而支持连续变化的材料特性和多样化的电阻开关机制。
3.1. 用于仿生突触的卤化物钙钛矿
- •
卓越的光学特性：具有高吸收系数和连续可调的带隙，为使用光子作为调控突触权重的敏感手段提供了自由度。
- •
优异的电学特性：具有较低的激子结合能、高载流子迁移率和长载流子寿命，确保了光生电子-空穴对的有效分离和传输，从而赋予突触器件在响应速度、动态范围和能耗方面出色的性能。
- •
独特的离子迁移特性：作为一种离子晶体，钙钛矿具有缺陷容忍性，其内部存在大量可移动的卤化物离子，并且离子迁移活化能较低。在外场或光照下，离子迁移可以诱导导电细丝的形成或改变界面势垒，从而实现电阻状态的调控。这种复杂的光-电-离子相互作用，使其成为发展光控电存储器件、实现高能效神经形态计算的理想候选材料。
用于仿生突触的卤化物钙钛矿材料主要分为两类：铅基钙钛矿和铅基钙钛矿。铅基钙钛矿具有低活化能和快速响应等优势，但其三维结构的稳定性限制了器件的耐久性。二维钙钛矿由于引入了疏水的有机间隔阳离子，稳定性得到改善。出于环保考虑，锡基等铅基钙钛矿也受到越来越多的关注，其具有较窄的带隙，有利于实现近红外光子触发的突触可塑性。
3.2. 卤化物钙钛矿突触的结构
用于模拟突触的卤化物钙钛矿基器件主要可分为两端（2T）和三端（3T）器件。
- •
两端器件：通常采用忆阻器的经典垂直夹层结构（电极-本征层-电极）。这种结构简单，具有读写速度快、尺寸小、易于高密度集成等优点。但由于信号传输路径单一，同时实现学习和传输过程存在困难，且在信号串扰和潜行路径电流方面存在风险。
- •
三端器件：通常采用传统场效应晶体管及其衍生结构，拥有多个终端。栅极、漏极和沟道电导分别对应于突触前神经元、突触后神经元和突触权重。额外的栅极调制端允许动态调控突触可塑性，增强了调控的灵活性和准确性。三端器件可进一步分为浮栅晶体管型、异质结晶体管型和铁电晶体管型。尽管调控精度和方式多样，但其横向结构面积效率较低，在小型化和实现大面积高密度阵列方面面临挑战。
3.3. 卤化物钙钛矿突触的机制
卤化物钙钛矿具有离子和电子双重电荷传输能力，这使其非常适合用于电阻调控和多态电导操作。其工作机理主要分为离子迁移机制（常见于两端器件）和载流子俘获机制（常见于三端器件）。
- •
离子迁移机制：该机制依赖于在外加电场或光刺激下，离子迁移诱导的导电细丝形成或界面势垒改变。根据导致电阻开关的迁移离子类型，可进一步分为价态变化机制（VCM）和电化学金属化机制（ECM）。
- •
VCM：利用钙钛矿中A/B/X位点的离子及其空位。空位聚集可形成导电细丝（细丝型），或在界面处累积形成界面层（界面型），从而改变电阻。界面型器件通过均匀的离子调控实现模拟开关和渐变的电阻变化，更适合仿生突触应用。
- •
ECM：依赖于来自活性金属电极的金属离子的注入和迁移，在活性层中形成和断裂金属导电细丝。在某些情况下，金属细丝和卤化物空位细丝可能竞争或共存。
- •
载流子俘获机制：该机制利用钙钛矿独特的光电特性，通过精确调控光生载流子来调制器件电导。其本质是光生载流子在器件内的存储，并可通过电或光控制信号释放。主要有四种方式：浮栅型、异质结型、缺陷型和铁电型。
- •
浮栅型：钙钛矿作为光吸收层产生电子-空穴对，同时作为电荷陷阱。大部分载流子隧穿进入沟道层，少数被存储在浮栅中，导致电导增加。栅压输入可使被俘获的少数载流子通过复合过程移除。
- •
异质结型：通过仅包含光敏层和传输层的简化异质结结构促进载流子俘获和释放。光照下，两层之间形成II型异质结，促进光生载流子有效分离并存储在不同层中，导致电导持续增加。在电压偏置下，发生复合过程，实现电导擦除。
