《Applied Materials Today》：Si@BP based bionic synaptic device for cross-modal perception of light-olfactory co-sensation
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硅掺杂黑磷光电子突触器件实现跨模态感知与计算，解决材料环境不稳定性问题，在低浓度氨气检测中展现优异性能，并构建脉冲神经网络验证其计算能力。
邵飞雷|李平丁|邹建勋|王丹|袁帅|王攀|陈米|苏颖|宋颖浩|邵鹏|郭东伟
中国陕西省科学技术大学电子信息与人工智能学院光电科学技术系，西安710021
摘要
受生物启发的突触器件在神经形态计算和智能感知领域展现出了巨大的潜力，这得益于它们能够高效模拟生物神经系统的多模态整合能力。然而，开发兼具感知和计算功能的高性能人工突触器件仍然是一个重大挑战。在这项研究中，我们提出了一种基于硅掺杂黑磷（Si@BP）的生物启发式突触器件，该器件提升了黑磷的稳定性和光检测能力。该器件能够在极低氨浓度（低至20 ppm）的环境中实现光学感知与选择性检测，并进一步在神经形态层面实现跨模态感知。这使得视觉和嗅觉信号能够关联整合，有效模拟了生物突触的高级认知行为。此外，使用这种器件构建的脉冲神经网络在MNIST分类任务上通过无监督学习达到了91.17%的准确率，验证了其计算能力。这项研究不仅证实了Si@BP突触器件在光电神经形态系统中的应用潜力，更重要的是，通过实现视觉-嗅觉共感知和高效计算，为开发多模态智能感知技术提供了新的见解，并显著推动了生物启发式感知-计算集成技术的发展。
引言
人类依赖于包括视觉、嗅觉、味觉和体感在内的多模态感官系统来整合环境信息。通过感官皮层中专门神经元群体的并行处理，实现了感知、记忆和计算的功能耦合。[1]、[2]、[3] 受这种生物感知机制的启发，研究人员正在开发基于仿生传感器和神经网络的神经形态计算系统，以实现多模态感官信息的感知与融合。[4] 近年来，越来越多的研究人员探索将光子突触与脉冲神经网络结合，以实现跨模态交互（例如视觉与触觉之间的交互），以更有效地模拟生物体的多感官整合。神经生理学研究表明，视觉系统和嗅觉系统之间存在显著的跨模态调节效应。事件相关电位分析表明，特定的气味物质可以显著改变人类受试者对闪烁视觉刺激的时间感知阈值。[5] 例如，崔等人[6]使用双焦点成像方法并利用成像仪器捕捉目标物体及其气味特征，在芯片上实现了视觉和嗅觉的整合。然而，由于缺乏能够同时实现光学-电学-化学-生物化学场耦合的仿生突触器件，因此在器件层面实现视觉和嗅觉系统的神经形态跨模态整合仍面临重大挑战。因此，基于光电化学敏感忆阻器的跨模态仿生研究，以及在单个光子电子突触器件上实现多种感官协同处理功能的发展，具有重要的科学意义。[7]
突触器件的功能与其材料的物理和化学性质密切相关，因此材料的选择尤为重要。研究表明，二维范德瓦尔斯异质结构由于其可调的光生激子行为和独特的电荷传输机制，以及通过精确调节层间耦合，已成为高性能光电突触器件的理想材料。[8] 在众多候选材料中，二维黑磷（BP）因其独特的各向异性晶体结构、可调带隙（0.3 - 2.0电子伏特）、高内在载流子迁移率以及出色的光电响应而脱颖而出。此外，其较大的比表面积和含有孤对电子的独特电子结构提供了天然的活性位点，从而使BP对不断变化的气体环境具有高敏感性。这些特性使BP成为跨模态光子突触的有希望的候选材料。[9]、[10]、[11] 早在2016年，郝等人首次报道了一种非易失性的BP忆阻器，其开关比超过10^3，保持特性超过10^4秒。[12] 2021年，宋等人通过原子层沉积在BP上施加Al2O3和TiO2等氧化物纳米涂层作为钝化层，隔离了环境，从而增强了BP的抗氧化性。[13] 同样在2023年，Kumar等人提出了一种基于可溶液处理的黑磷/HfOx双层的柔性后端兼容光电忆阻器。该器件表现出优异的突触特性，可用于仿生视网膜。[14] 然而，BP材料在环境中的固有不稳定性严重阻碍了其在突触器件领域的进一步发展。[14]、[15]、[16] 实验研究表明，未经保护的BP薄膜在常温条件下仅能保持结构完整性4-6小时。[17]、[18] 为了解决黑磷的环境耐受性问题，通过原子掺杂改变黑磷的电子分布、能带结构或表面化学活性是一种重要方法。然而，相关研究较少。硅原子（Si）的掺杂会导致硅原子占据磷原子（P）的位置和空位，减少黑磷表面的悬挂原子键数量，从而降低表面活性位点的数量，阻碍氧分子的攻击。
在这项工作中，为了解决BP材料易降解的问题并提升其电学性能，我们创新性地提出了一种硅掺杂策略。利用改进的化学气相传输方法，我们成功合成了具有优异环境稳定性的硅掺杂黑磷（Si@BP）混合材料。系统的材料表征和理论计算证实，硅的掺入不仅显著提高了BP材料的大气稳定性，还优化了它们的电荷载流子传输性能。这一策略有效解决了BP的固有不稳定性问题，这是开发稳健突触器件的关键挑战。通过在一个器件内建立连接光学感知和嗅觉刺激的学习机制，我们展示了一种新型的跨模态突触器件。实验结果表明，该器件不仅能在光刺激下模拟基本的突触功能，还能根据氨气暴露情况调整光脉冲的参数，从而显著提升其电学性能和记忆持续时间。这种双重功能突显了Si@BP混合材料在创建多功能突触器件方面的潜力。此外，通过结合光和嗅觉刺激，我们成功模拟了阵列学习和艾宾浩斯记忆衰退曲线。这一进展不仅促进了二维材料在神经形态计算中的应用，更重要的是，通过多模态感知-计算融合框架，展示了光-嗅觉仿生器件在智能机器人、环境监测和人机交互方面的非凡潜力。
结果与讨论
通过使用硅粉作为固体前驱体，我们开发了一种改进的化学气相传输方法，该方法同时实现了硅的掺杂和表面钝化，一步生成了Si@BP混合复合材料。这一策略不仅为从一开始就开发高稳定性BP材料提供了有前景的掺杂技术，也为BP的氧化问题提供了解决方案。可以预期，这种将BP纳米片与硅结合的独特结构...
结论
总结来说，我们成功开发了一种具有跨模态视觉-嗅觉感知能力的Ag/Si@BP/ITO光子突触器件。利用改进的化学气相传输方法，我们合成了硅掺杂黑磷（Si@BP）混合材料，该材料表现出增强的环境稳定性和优化的光电性能。这种材料构成了Ag/Si@BP/ITO器件的基础，使其能够展示多种突触行为（见表S3），包括兴奋性...
Si@BP晶体的合成
Si@BP晶体合成的原材料包括高纯度红磷（99.998%，上海普迈生物科技有限公司）、硅粉（99.99%，山西俊盛天虹先进材料有限公司）、锡粉（99.99%）和碘颗粒（99.8%，新华药业试剂有限公司）。
Si@BP晶体是通过化学气相传输（CVT）方法合成的，使用非晶红磷作为磷源，锡粉和碘作为传输剂，以及高纯度硅...
作者贡献
本手稿由所有作者共同撰写。所有作者均已批准手稿的最终版本。邵飞雷和邹建勋对稿件的贡献相当。
CRediT作者贡献声明
袁帅：方法论。王攀：概念化。邹建勋：方法论。王丹：数据管理。宋颖浩：数据管理。邵鹏：写作 - 审稿与编辑。陈米：软件。苏颖：数据管理。郭东伟：资源、概念化。邵飞雷：写作 - 原始草稿、软件、研究。丁丽萍：写作 - 审稿与编辑、研究、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：22573062）、国家外国专家计划（Y20240216）、陕西省数学与物理基础科学研究项目（资助编号：23JSQ016和22JSQ006）以及新疆维吾尔自治区自然科学基金（项目编号：2025D01B18）的支持。
