近日，在国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助下，基础与前沿研究院王志明教授、童鑫研究员在国际著名期刊《ACS Nano》和《Advanced Functional Materials》上连续发表2篇关于半导体胶体量子点光电传感与类智能应用的研究成果，2021级博士研究生罗晶莹和2024级博士研究生辜丽萍分别为论文第一作者，王志明教授和童鑫研究员为论文通讯作者，电子科技大学基础与前沿研究院为论文第一单位。
研究成果一：Tailored Environment-Friendly Reverse Type-I Colloidal Quantum Dots for a Near-Infrared Optical Synapse and Artificial Vision System. ACS Nano 2024, 18 (43), 29991-30003.
近年来，受生物视觉系统的启发，研究者们对开发人工视觉系统产生了浓厚的兴趣，通过利用人工光突触器件来关联突触可塑性和光信号，已在视觉信息的感知、存储和处理方面展现出了巨大潜力。人工光电突触器件的发展已成为人工智能领域的一个关键攻关方向，但目前大多数光电突触器件都局限在紫外或可见光区域工作，难以响应到近红外波段，严重阻碍了其在夜视、车辆自动驾驶和生物医学工程等领域的发展。半导体胶体量子点（QDs）由于其低成本和独特的物理性质，能够作为近红外光电探测器的光吸收层，在近红外探测方面展现出了巨大潜力。但基于QDs的近红外光电探测器目前仍然存在一些亟待解决的关键问题，包括使用重金属元素（Pb、Hg）QDs、QDs光生电荷分离/转移效率低和稳定性差等。
本研究合理设计并制备出了一种具有反I型能带结构的环保型ZnSe/InP QDs，并通过Cu掺杂实现了近红外光电响应，成功用于组装近红外光电探测器并实现人工突触视觉系统。研究发现，在ZnSe/InP QDs的壳层中引入Cu元素，能够显著拓宽ZnSe/InP QDs的吸收光谱到近红外范围，且Cu掺杂能够在InP壳层中引入杂质能级，俘获核中的光生空穴，促进核壳QDs光生载流子提取，从而显著提高对应光电探测器的性能，在400 nm光照下实现了70.5 A W-1的响应度和2.8×1011Jones探测率。通过利用这种ZnSe/InP:Cu QDs光电探测器作为人工突触器件，可以在近红外光照下模拟多种生物突触行为，包括短期可塑性（STP）/长期可塑性（LTP）以及“学习-遗忘-再学习”过程，并在进行突触活动中实现了较低的能量消耗。基于器件的突触特性，通过进一步将器件小型化并构建出3×3阵列，还成功模拟了一种近红外人工视觉系统对图像的识别、记忆和遗忘的过程，展现出了该器件在光学神经形态系统领域的应用前景。
图1 基于环保型半导体胶体量子点的近红外光电突触及人工视觉系统
研究成果二：Colloidal Quantum Dots-Based Photoelectrochemical-Type Optoelectronic Synapse. Advanced Functional Materials 2024, 2415178.
目前，大多数基于光电探测器（PD）的人工光电突触被设计为工作在非液体环境下的固态器件，阻碍了器件模拟实际生物突触在液体环境下的离子和生物化学过程。在各类PD器件中，光电化学（PEC）型PD因其高效的光响应、低成本/简单的制造工艺、高灵敏度和快速响应而受到广泛关注。更重要的是，在电解质水溶液环境下还可以有效操纵PEC-PD的光生载流子迁移和输运动力学。因此，由于人脑主要通过液体环境下的生物视觉皮层系统获取外部信息，对光信号敏感的PEC-PD用于人工光电突触应用将有望实现视觉传感、信号处理和记忆功能的有机结合和高性能生化神经形态计算。
半导体胶体量子点（QDs）因其独特的尺寸/组分可调光电特性，目前已被广泛用于固态PD和液相PEC器件应用。其中，I-III-VI族QDs因其具有环境友好性、高吸收系数和组分可调光学性质等特点，逐渐成为了传统有毒重金属（Pb、Cd、Hg 等）QDs及其高性能光电器件的理想替代材料。本研究成功制备了一种具有环境友好特性、可见光宽谱响应和有效载流子传输特性的新型CuInGaSe/ZnSe量子点并组装出能够工作在电解质水溶液环境下的光电化学型人工光电突触。通过调控激发光脉冲的波长、脉冲数、频率、功率密度以及器件外加偏压，证明了基于CuInGaSe/ZnSe QDs的PEC型人工光电突触能够实现各类生物突触行为特性，包括配对脉冲促进（PPF）、兴奋性突触后电流 （EPSC）、短期可塑性（STP）、长期可塑性（LTP）和学习/遗忘过程，展现出其在未来水下人工智能技术应用中的巨大潜力。
图2 半导体胶体量子点光电化学型人工光电突触及其水下人工智能应用
近日，Wiley中国还授予王志明教授和童鑫研究员2024年第二季度“Wiley威立中国高贡献作者奖”。2024年4月，团队在Wiley出版社旗下的中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊《Electron》上发表了题为“Colloidal quantum dots and two-dimensional material heterostructures for photodetector applications”的论文，并在发表后受到了全球学者们的广泛关注，在该期刊中国作者2024年第二季度发表文章三月内下载量中位列前茅。该论文综述了近年来基于量子点和二维材料异质结在光电探测器领域中的应用，主要介绍了基于量子点/二维材料异质结光电探测器的结构分类、工作机制、材料制备方法和异质结构建方法，详细讨论了基于量子点/不同二维材料异质结的光电探测器最新进展及其在光电突触、人工视觉系统和可穿戴医疗健康方面的创新应用，并概述了该领域的发展前景和面临的挑战。
图3 Wiley中国授予王志明教授和童鑫研究员“Wiley威立中国高贡献作者奖”
