Transistores sinápticos fotónicos con nueva capa de captura de electrones para alto rendimiento y ultra

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12583 (2023) Citar este artículo

Detalles de métricas

Se están investigando los transistores sinápticos fotónicos por sus posibles aplicaciones en computación neuromórfica y sistemas de visión artificial. Recientemente, un método para establecer un efecto sináptico evitando la recombinación de pares electrón-hueco mediante la formación de una barrera energética con una doble capa que consta de un canal y una capa de absorción de luz ha mostrado resultados efectivos. Presentamos un dispositivo de triple capa creado recubriendo una nueva capa de captura de electrones entre la capa de absorción de luz y la capa aislante de la puerta. En comparación con la estructura sináptica fotónica de doble capa convencional, nuestro dispositivo de triple capa reduce significativamente la tasa de recombinación, lo que resulta en un rendimiento mejorado en términos de fotocorriente de salida y características de memoria. Además, nuestro transistor sináptico fotónico posee excelentes propiedades sinápticas, como facilitación de pulsos emparejados (PPF), potenciación a corto plazo (STP) y potenciación a largo plazo (LTP), y demuestra una buena respuesta a un voltaje operativo bajo de - 0,1 mV. El experimento de bajo consumo de energía muestra un consumo de energía muy bajo de 0,01375 fJ por pico. Estos hallazgos sugieren una forma de mejorar el rendimiento de futuros dispositivos neuromórficos y sistemas de visión artificial.

El método tradicional de von Neumann no es adecuado para procesar grandes cantidades de información generada instantáneamente y en movimiento aleatorio porque realiza cálculos en serie y secuencial a través de un solo canal. En este método tradicional, el procesamiento de una gran cantidad de datos puede provocar retrasos y fallos, denominados cuellos de botella de von Neumann, y un consumo energético considerable1,2. Por ello, los investigadores se han centrado en el cerebro humano, que está altamente integrado y puede procesar información de forma rápida y eficiente. Un único evento sináptico en el cerebro humano consume muy poca energía, aproximadamente 10 fJ3. Los dispositivos sinápticos neuromórficos y que imitan el cerebro han despertado un interés reciente, y se han publicado varios métodos de baja potencia que utilizan la propiedad de plasticidad4,5.

Los dispositivos sinápticos orgánicos son atractivos por su peso ligero, su procesamiento de gran superficie y su fabricación sencilla y de bajo coste6,7. En general, para los dispositivos que utilizan un transistor de efecto de campo orgánico (FET) impulsado por voltaje donde la puerta está modulada por un potencial eléctrico, las propiedades sinápticas se han implementado utilizando iones que se mueven lentamente dentro del electrolito. Se han implementado varios dispositivos o sistemas de alta funcionalidad utilizando estas propiedades4,8,9. Se desarrolló un sistema táctil artificial con un sensor cutáneo utilizando una capa ferroeléctrica o un gel de iones10,11. Kim y cols. informaron sobre un nervio aferente artificial combinando un sensor de presión y un gel de iones7.

Recientemente, se han informado dispositivos sinápticos fotónicos, además de transistores que implementan propiedades sinápticas utilizando voltaje de puerta6,12,13,14,15. En comparación con el método de conducción de voltaje, los dispositivos sinápticos fotónicos pueden tener un ancho de banda amplio, una velocidad de transmisión rápida y un bajo consumo de energía16. Estos elementos fotónicos de sinapsis también pueden encarnar la visión artificial. Cuando el ojo humano recibe información visual, los fotorreceptores de la retina convierten la luz en impulsos eléctricos, que se transmiten a través de los nervios a la región del cerebro que crea y almacena imágenes. En un sistema de visión artificial, el dispositivo detecta la luz y la convierte en una señal eléctrica para generar y almacenar información luminosa17. El transistor sináptico fotónico convierte rápidamente una señal óptica en una señal eléctrica y al mismo tiempo exhibe excelentes propiedades para el almacenamiento de información; por ello, recientemente ha estado atrayendo la atención como dispositivo para construir un sistema de visión artificial18.

Muchos materiales, como los semiconductores orgánicos18, las perovskitas19 y los biomateriales respetuosos con el medio ambiente20, se utilizan como capas de absorción de luz. Entre estos, utilizamos una perovskita de haluro inorgánico (CsPbBr3), un material semiconductor con estructura hexagonal12. Debido a que las perovskitas tienen altas eficiencias fotoeléctricas, atraen la atención de dispositivos ópticos como células solares21 y fotodetectores22. Sin embargo, son muy vulnerables a la humedad y su eficiencia fotoeléctrica disminuye significativamente cuando se exponen a la atmósfera durante mucho tiempo23. En este sentido, el CsPbBr3 fabricado a partir de materiales inorgánicos tiene mejor estabilidad que otras perovskitas orgánico-inorgánicas24.

La mayoría de los dispositivos sinápticos orgánicos impulsados ​​por luz constan de una doble capa compuesta por un canal y una capa de absorción de luz. Cuando la capa de absorción de luz absorbe fotones y genera un par electrón-hueco, cada canal y capa de absorción de luz está dominado por agujeros y electrones, respectivamente. La barrera energética causada por los diferentes niveles de energía de cada capa impide la recombinación de electrones y huecos, lo que resulta en fenómenos sinápticos donde la corriente de drenaje fluye después de que se apaga la iluminación12,14. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos de doble capa funcionan mal en términos de corriente de salida y "consumo de energía por pico", que son parámetros importantes para medir el rendimiento de los dispositivos sinápticos.

En este trabajo, mejoramos drásticamente las características de fotorreactividad y consumo de energía en comparación con las del dispositivo de doble capa mediante la implementación de un dispositivo de triple capa en el que se adopta una nueva capa de captura de electrones (NETL). El dispositivo de triple capa con NETL reduce la tasa de recombinación de huecos de electrones en comparación con un dispositivo de doble capa. Esta mejora aumenta la vida útil del portador, lo que, a su vez, contribuye a un aumento en la conductividad del canal.

Utilizamos 6,13-Bis(triisopropilsililetinil)pentaceno (TIPS-pentaceno, o simplemente TIPS), un material semiconductor orgánico de tipo p, como capa de canal y CsPbBr3 como capa de absorción de luz12. El SnO2 se utilizó como NETL porque es fácil de fabricar, tiene un nivel de banda de valencia que puede crear una barrera de energía para atrapar electrones junto con CsPbBr3 y proporciona una superficie de película delgada y suave25,26.

Este artículo presenta un método capaz de detectar luz muy débil. El enfoque cuenta con una fotosensibilidad más alta que las reportadas anteriormente para varios sistemas de perovskitas sinápticas fotónicas.

Se preparó CsPbBr3 0,3 M disolviendo PbBr2 (> = 98 %, Sigma-Aldrich) y CsBr (99,999 %, Sigma-Aldrich) en dimetilsulfóxido (DMSO, 99,8 %, SAMCHUN). TIPS se preparó disolviendo 10 mg de 6,13-bis(triisopropilsililetinil)pentaceno (>99%, TCI) y 10 mg de poliestireno (Sigma-Aldrich) en 1 ml de monoclorobenceno (>99,7%, DAEJUNG). El SnO2 se preparó diluyendo una solución coloidal de SnO2 (15% en dispersión coloidal de H2O, Thermo Scientific) con agua desionizada hasta una concentración final del 5%.

Como sustrato se utilizó silicio tipo n fuertemente dopado con SiO2 de 100 nm. Para preparar un sustrato limpio, se realizó una ultrasonidos en el sustrato durante 10 minutos en el orden de acetona, alcohol isopropílico y agua desionizada. Se aplicó plasma de O2 al sustrato durante 5 min. A continuación, la solución coloidal de SnO2 preparada se dejó caer sobre el sustrato y se recubrió por rotación a 3000 rpm durante 30 s, seguido de un recocido a 150 °C durante 30 min. A continuación, la solución de CsPbBr3 se recubrió por rotación sobre SnO2 a 4000 rpm durante 60 s. La muestra se colocó en una bomba de vacío para eliminar el disolvente12. Luego, la solución TIPS se recubrió por rotación sobre la capa de perovskita a 1000 rpm durante 10 s y se recoció a 100 °C durante 10 min. Finalmente, se evaporaron térmicamente 50 nm de Au para formar electrodos de fuente y drenaje con un ancho de canal de 1000 μm y una longitud de 50 μm. En la Fig. 1 se muestra una ilustración gráfica simplificada de este proceso de fabricación.

Representación esquemática del proceso de fabricación del transistor sináptico fotónico de triple capa. El proceso comienza con el recubrimiento por rotación de SnO2, seguido de un recubrimiento por rotación consecutivo de CsPbBr3 y TIPS, y finalmente el patrón de electrodos de Au.

Las mediciones eléctricas se realizaron en una atmósfera ambiente utilizando un analizador de parámetros de semiconductores Keithley 4200-SCS para medir el rendimiento sináptico del dispositivo. Para los experimentos dependientes de la luz, las mediciones se realizaron en condiciones de oscuridad para evitar la interferencia de la luz ambiental. Las mediciones de absorción UV-vis se realizaron utilizando un espectrofotómetro JASCO V-750. La imagen de microscopía óptica del dispositivo se observó utilizando un microscopio Olympus BX51 y las nanoimágenes se observaron utilizando un JSM-7100F FE-SEM.

Comprender los mecanismos sinápticos biológicos, ilustrados en el lado izquierdo de la figura 2a, es útil para desarrollar un sistema neuromórfico. Las sinapsis son enlaces entre neuronas que intercambian información de la neurona presináptica a la postsináptica13,27. En respuesta a estímulos externos, los neurotransmisores se unen a los receptores de las neuronas postsinápticas creando corrientes postsinápticas. El lado derecho de la Fig. 2a muestra el dispositivo sináptico fotónico propuesto que imita este proceso biológico. La entrada externa se define como un pico de luz y el aumento de la corriente de drenaje se define como una corriente postsináptica excitadora (EPSC), que es crucial para la adquisición, transmisión y almacenamiento de datos en dispositivos sinápticos28.

(a) Imagen esquemática de la sinapsis biológica y nuestro transistor sináptico fotónico. (b) Diagrama de bandas de energía del dispositivo de doble capa CsPbBr3/TIPS. (c) Diagrama de bandas de energía del dispositivo de triple capa SnO2/CsPbBr3/TIPS.

Los diagramas de bandas de energía se muestran en las figuras 2b y c para describir cómo funcionan los dispositivos sinápticos fotónicos en capas dobles y triples, respectivamente, donde se forman barreras de energía escalonadas entre las capas. Los pares electrón-hueco se generan en la perovskita CsPbBr3 cuando la luz ilumina el transistor sináptico fotónico. En el dispositivo de doble capa que se muestra en la Fig. 2b, los orificios pasan a la capa TIPS debido a la polarización potencial incorporada12. Sin embargo, los electrones no pueden cruzar fácilmente debido a la barrera generada por la banda de conducción (CB) de CsPbBr3 con el nivel más bajo de orbitales moleculares desocupados (LUMO) de los TIPS. Por lo tanto, incluso si la luz está apagada, debido a que los electrones quedan atrapados en CsPbBr3, se evita la recombinación con los huecos y la corriente continúa fluyendo. Sin embargo, en la estructura de doble capa, la barrera no es lo suficientemente grande como para evitar la recombinación durante mucho tiempo, por lo que los electrones atrapados en CsPbBr3 se recombinan rápidamente con los agujeros y no fluye corriente por el canal. A diferencia del dispositivo de doble capa, en el dispositivo de triple capa SnO2/CsPbBr3/TIPS, los electrones fotogenerados se dirigen a la capa de SnO2 en lugar de a la capa de CsPbBr3. Mientras tanto, los agujeros migran a los TIPS, similar a la estructura de doble capa. En este proceso, la distancia física y la barrera energética entre los electrones y los huecos aumentan en comparación con el dispositivo de doble capa. Este aumento de la barrera de distancia y energía es análogo al uso de capas de transporte de electrones y huecos en la investigación de células solares29. Por lo tanto, debido a una menor tasa de recombinación en la estructura de triple capa en comparación con la de doble capa, aumenta el número de agujeros que contribuyen al canal y la vida útil del portador. Utilizando esta ingeniería de banda de energía, las estructuras de triple capa exhiben una capacidad de respuesta óptica mejorada.

En la Fig. 3a se muestra una sección transversal del transistor sináptico de triple capa fabricado. El dispositivo se fabricó mediante un proceso de solución, a excepción del electrodo de oro. Primero, se recubrió por rotación SnO2 sobre el sustrato Si/SiO2. Posteriormente, se recubrió por rotación una solución de CsPbBr3, preparada mezclando CsBr y PbBr2 en una proporción molar de 1:1, sobre SnO2, produciendo una capa de CsPbBr3 con un espesor de aproximadamente 60 nm. El grosor se eligió juiciosamente para lograr un equilibrio óptimo entre la absorción de luz, el transporte de portadores de carga y la compatibilidad con el escalado del dispositivo. Después de la deposición de la capa de CsPbBr3, se recubrió TIPS por rotación y siguió la deposición térmica de los electrodos fuente/drenaje. Como se muestra en el lado derecho de la Fig. 3a, el SiO2 recubierto de SnO2 muestra una morfología muy homogénea25,26. Por el contrario, los cristales de perovskita de CsPbBr3 manifiestan granos dispersos en forma de islas. Una estructura con menos límites de grano es ventajosa para prevenir la migración de iones, provocando un efecto de detección de campo de puerta en la perovskita30 ya que la inmigración de iones se produce en el límite de grano en lugar de en el grano. Además, los cristales de perovskita reaccionan sensiblemente a la luz débil12. Se proporcionan más detalles sobre el proceso de fabricación en la sección Experimental.

( a ) Imagen transversal de microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM) del dispositivo de triple capa e imagen de superficie de SnO2 y CsPbBr3. (b) Fotografía de una matriz de 5 × 4 de un dispositivo de triple capa. (c) Imagen de microscopía óptica del electrodo fuente/drenaje. (d) Espectros de absorción UV-vis de películas SnO2, TIPS, CsPbBr3, CsPbBr3/TIPS, SnO2/CsPbBr3/TIPS, respectivamente.

Las figuras 3b yc muestran una imagen del transistor sináptico fabricado. La longitud del canal es de 50 µm y el ancho es de 1000 µm. La Figura 3d muestra los espectros UV-vis de películas SnO2, TIPS, CsPbBr3, CsPbBr3/TIPS y SnO2/CsPbBr3/TIPS. La absorción en SnO2 es extremadamente baja en comparación con las otras películas; por lo tanto, incluso si se agrega SnO2 a la película CsPbBr3/TIPS, no hay cambios significativos en el valor máximo ni en la absorción de luz16. Los valores máximos de las películas CsPbBr3/TIPS y SnO2/CsPbBr3/TIPS son similares a los de la película TIPS a 488 nm, lo que indica que TIPS determina los valores máximos. Debido a que se puede obtener una alta ganancia de fotocorriente usando la luz de la longitud de onda más cercana al pico20, para el experimento de iluminación de la luz, fijamos la longitud de onda en 450 nm usando un LED para generar picos impulsivos en el dispositivo.

Las Figuras 4a y b muestran las curvas de transferencia de transistores sinápticos fotónicos CsPbBr3/TIPS y SnO2/CsPbBr3/TIPS, respectivamente, medidas a un voltaje de drenaje (Vd) de − 40 V. Cuando se aplica luz a cada transistor sináptico fotónico, la curva se mueve en la dirección positiva debido a la influencia de los pares electrón-hueco fotogenerados. La curva se mueve hacia la derecha a medida que recibe luz más intensa12, lo que muestra que cuanto más fuerte es la luz, mayor es la corriente obtenida con el mismo voltaje de puerta. Al medir la ventana de memoria, que representa el cambio en el voltaje umbral tras la iluminación con luz en comparación con la condición de oscuridad, el dispositivo de doble capa con una intensidad de luz definida (Iop) de 0,635 μW/cm2 demostró un valor de 38,9 V. Este valor es relativamente alta, especialmente si se considera en el contexto de la intensidad luminosa comparativamente débil de 0,635 μW/cm2 empleada en los experimentos. Sin embargo, el dispositivo de triple capa mostró una ventana de memoria muy mejorada de 51,3 V. Esto se debe a que, como se describió anteriormente, a medida que se agregó la capa de SnO2, el número de agujeros supervivientes aumentó debido a la barrera adicional a la recombinación.

(a) Curvas de transferencia en condiciones de oscuridad y diversas condiciones de iluminación para dispositivos de doble capa y (b) de triple capa.

Las características sinápticas de los transistores sinápticos fotónicos se pueden evaluar utilizando la respuesta transitoria de la corriente a la iluminación luminosa16. La Figura 5a muestra las corrientes de respuesta en los dispositivos de doble y triple capa. El tiempo (tlight) y la intensidad de la luz iluminada fueron 1 s y 84 μW/cm2, respectivamente, a Vd = − 1 V. El voltaje de la puerta (Vg) se fijó en 0 V. El incremento de corriente (ΔEPSC) se representa en el gráfico en lugar del valor de corriente bruta porque los niveles de tierra de los dos transistores son diferentes: 0,035 nA para el de doble capa y 0,547 nA para el de triple capa. Los picos de EPSC aparecen tanto en los transistores de doble capa como en los de triple capa durante el período en el que se aplica la luz, pero ΔEPSC es 1,309 nA en el dispositivo de triple capa, que es 2,16 veces mayor que 0,605 nA en el dispositivo de doble capa. Estos resultados muestran que el aumento de la barrera energética en el dispositivo de triple capa inhibe eficazmente la recombinación de electrones y huecos.

(a) Representación de las características sinápticas de dispositivos de doble y triple capa. (b) Reacción de EPSC a dos picos de luz sucesivos en el dispositivo de doble capa. (c) Reacción de EPSC a dos picos de luz sucesivos en el dispositivo de triple capa. (d) Representación del índice PPF en función del intervalo de pico (Δt) para dispositivos de doble y triple capa.

Cuando se aplica continuamente un pico de luz al transistor sináptico fotónico, la fotocorriente generada por el segundo pico (A2 en las figuras 5b y c) excede la generada por el primer pico (A1 en las figuras 5b y c). Este fenómeno se conoce como facilitación de pulsos emparejados (PPF)13,31 y se define mediante la ecuación. (1):

Este fenómeno resulta de la plasticidad sináptica, que aumenta aún más la corriente si el segundo pico se produce antes de que los electrones y los agujeros generados por el primer pico se recombinen por completo. El experimento PPF se realizó con tlight = 1 s y Iop = 84 μW/cm2 de intensidad, y el intervalo de tiempo (Δt) entre los dos picos se varió de 1 a 3 s. Las Figuras 5b yc muestran los gráficos de EPSC medidos en Δt = 1 s, mostrando EPSC más altos en el dispositivo de triple capa (Fig. 5c) que en el dispositivo de doble capa (Fig. 5b). La Figura 5d muestra el índice PPF medido en varios valores de Δt para los dispositivos de doble y triple capa. En ambos casos, la relación FPP disminuye rápidamente a medida que Δt aumenta y luego converge gradualmente. Para el dispositivo de doble capa, la PPF desciende de 146,06 a 107,25%, mientras que el dispositivo de triple capa desciende de 176,35 a 114,39%. El dispositivo de triple capa muestra un índice PPF más alto en Δt que el dispositivo de doble capa. Debido a la mayor barrera energética del dispositivo de triple capa, el agujero permanece más tiempo en el TIPS antes de la recombinación con el electrón y, por lo tanto, un mayor número de portadores permanecen en el canal hasta la llegada de la segunda luz.

De manera análoga a cómo la información repetida puede memorizarse mejor en el cerebro humano, la transición de la potenciación a corto plazo (STP) a la potenciación a largo plazo (LTP) cuando se aplica un estímulo más prolongado y más fuerte también es una característica importante de los dispositivos sinápticos10. En las figuras 6a yb, se pueden observar cambios en el EPSC según los anchos de los picos de luz. La intensidad de la luz fue de 84 μW/cm2 en este experimento. Los portadores se crean continuamente con una entrada de luz continua, lo que da como resultado una corriente más alta. En las figuras 6d y e, el cambio en EPSC se observa al cambiar el número de picos de luz consecutivos de 1 a 10 en las condiciones de tlight = 1 s, Δt = 1 s e Iop = 84 μW/cm2. Al igual que en el experimento anterior, cuanto mayor es el número de picos, mayor es la corriente máxima. Finalmente, las figuras 6g y h muestran los resultados de experimentos aplicados a transistores fotosinápticos de doble y triple capa durante 1 s mientras se varía la intensidad de la luz. Se puede obtener un EPSC más alto porque se generan más pares electrón-hueco a medida que aumenta la intensidad de la luz. Además, debido al aumento de la barrera energética, los experimentos que utilizan dispositivos de triple capa en las figuras 6b, e y h muestran una fotorreactividad mayor que los resultados de los dispositivos de doble capa en las figuras 6a, d y g. La tendencia de cambio en el valor máximo de cada experimento se puede comparar en las Fig. 6c, f e i, donde se puede ver que la pendiente de la curva se vuelve más plana a medida que aumenta el estímulo (ancho de pico, número de picos de luz y luz). intensidad) aplicada al dispositivo aumenta. Esto se debe a que el fuerte estímulo hace que los electrones en CsPbBr3 en la capa de absorción de fotones alcancen una alta densidad, y los nuevos agujeros fotogenerados se recombinan directamente con los electrones antes de pasar a la capa TIPS19. A partir de los resultados mostrados en la Fig. 6i, es evidente que el dispositivo de triple capa exhibe una tasa de respuesta que es más del doble que la de intensidades de luz altas y bajas. Este aumento de la respuesta se atribuye predominantemente al mecanismo de banda de energía intrínseco a la estructura de triple capa, que efectivamente reduce la tasa de recombinación de electrones y huecos. Como resultado, esto implica un número significativamente mayor de portadores de canal residuales, u orificios, disponibles para contribuir a la corriente del canal.

( a – b ) ΔEPSC en función de los anchos de punta para dispositivos de doble y triple capa, respectivamente. (c) Pico de ΔEPSC (ΔEPSCp) en función del ancho de las puntas. ( d – e ) ΔEPSC cuando está influenciado por un número variable de picos de luz consecutivos en dispositivos de doble y triple capa, respectivamente. (f) ΔEPSCp en función del número de picos para dispositivos de doble y triple capa. ( g – h ) Mediciones de ΔEPSC a diversas intensidades de luz para dispositivos de doble y triple capa, respectivamente. (i) ΔEPSCp en función de la intensidad de la luz para dispositivos de doble y triple capa.

Un resultado peculiar de estos experimentos es que el dispositivo de triple capa muestra un aumento relativamente constante en EPSC con una menor tendencia a la saturación que el dispositivo de doble capa. Esto se debe a que, a medida que los electrones generados en el dispositivo de triple capa se mueven hacia la capa de SnO2, la recombinación de electrones y huecos en la capa de CsPbBr3 se reduce y la vida útil de los huecos aumenta. Debido a esta mayor vida útil del orificio, la fotocorriente máxima que se puede alcanzar es mayor que la del dispositivo de doble capa.

En el transistor con NETL agregado, se observó tanto el incremento en el EPSC como el efecto de prolongar el tiempo de retención. La Figura 7a muestra la decadencia del EPSC en dispositivos de doble y triple capa en la condición STP (pico único). Debido a que los valores máximos de EPSC de los dos transistores son diferentes, cada valor máximo se normaliza a 1. Cincuenta segundos después de apagar la luz, el EPSC del dispositivo de doble capa retiene el 8,505% del valor máximo, mientras que el 15,331% del valor máximo se conserva en el dispositivo de triple capa. Esto muestra que el transistor con la capa de SnO2 tiene mejores características de retención que el dispositivo de doble capa bajo el mismo voltaje de funcionamiento y condiciones de luz. Los resultados de LTP se obtuvieron aplicando 20 picos consecutivos (Fig. 7b). Para el dispositivo de doble capa, el EPSC disminuye al 17,096% del valor de corriente pico 50 s después de que se apaga la luz, pero en el caso del dispositivo de triple capa, disminuye solo al 24,567%. Este resultado también indica que el dispositivo de triple capa tiene mejores características de retención que el dispositivo de doble capa, y que el tiempo de retención es mayor en la condición LTP que en la condición STP. El gráfico de la Fig. 7c compara las características de la memoria de los dispositivos de doble y triple capa 50 s después de apagar la luz. En general, el EPSC relativamente alto y el largo tiempo de retención de nuestro dispositivo demuestran un mayor rendimiento bajo las mismas condiciones de voltaje y luz y también brindan una ventaja significativa sobre la doble capa para la memoria de imágenes a largo plazo en los sistemas de visión.

Representación de las características de desintegración de EPSC y atributos de memoria para dispositivos de doble y triple capa: (a) desintegración de EPSC después de la aplicación de un único pico de luz; (b) desintegración de EPSC después de 20 picos de luz consecutivos; (c) Comparación de las características de la memoria registradas 50 s después de que se apaga la luz para ambos tipos de dispositivos.

Para investigar el rendimiento en condiciones de baja potencia32, se midió el funcionamiento del dispositivo mientras se reducía el voltaje de funcionamiento. Las Figuras 8a yb presentan ΔEPSC obtenido al reducir el voltaje de funcionamiento de − 0,1 a − 0,001 V bajo la condición de tlight = 1 s y Iop = 42 μW/cm2. Aunque la corriente disminuye rápidamente a medida que disminuye el voltaje de funcionamiento, tanto los dispositivos de doble como de triple capa responden a picos de luz en este rango de voltaje. Para probar el límite de consumo de energía de nuestro dispositivo, preparamos una condición extrema de voltaje operativo muy bajo, ancho de pico bajo y baja intensidad de luz (Vd = − 0,1 mV, tlight = 0,01 s, Iop = 0,17 μW/cm2). En estas condiciones, el dispositivo de doble capa no puede obtener un valor máximo distinguible y solo se puede observar ruido (Fig. 8c). Por el contrario, la Fig. 8d muestra que el dispositivo de triple capa sufre una fotorreacción, lo que indica que sobreviven más agujeros en el canal en el dispositivo de triple capa que en el dispositivo de doble capa. El consumo de energía de este único pico se calcula mediante la siguiente fórmula:33,34,35

Variación en ΔEPSC bajo diferentes condiciones de operación: (a) Dispositivo de doble capa y (b) dispositivo de triple capa bajo diferentes voltajes de operación (tlight = 1 s, Iop = 42 μW/cm2). EPSC generado en condiciones extremas (Vd = − 0,1 mV, tlight = 0,01 s, Iop = 0,17 μW/cm2) para (c) dispositivos de doble capa y (d) de triple capa.

Nuestro dispositivo sináptico tiene un consumo de energía muy bajo de 0,01375 fJ, que es aproximadamente 1000 veces menor que los aproximadamente 10 fJ que ocurren en el cerebro humano13. En la Tabla 1 se presenta una comparación con los resultados publicados recientemente.

En conclusión, logramos un efecto sináptico de alto rendimiento en un dispositivo de triple capa integrando el ampliamente estudiado CsPbBr3 e introduciendo el material NETL SnO2. Nuestra innovadora configuración de triple capa, diferente de la doble capa convencional donde los electrones quedaban atrapados en la perovskita, permitió el confinamiento de los electrones en el NETL situado debajo de la capa de perovskita. Esta disposición formó una barrera de energía más alta, reduciendo la tasa de recombinación electrón-hueco y conduciendo a una marcada mejora en el EPSC. El dispositivo demostró varios efectos sinápticos, como PPF, STP y LTP, y mostró un consumo de energía extremadamente bajo en la prueba de consumo de energía, lo que marca su potencial para aplicaciones que exigen eficiencia energética. La practicidad de la producción en masa a través de procesos de solución sencillos y rentables, como el recubrimiento por rotación, aumenta aún más su valor. Si bien nuestro dispositivo mostró una estabilidad razonable y mostró fotorresponsividad durante aproximadamente una semana, la estabilidad a largo plazo se vio comprometida. El trabajo futuro tendrá como objetivo mejorar este aspecto, potencialmente mediante la implementación de materiales de tapado o tecnologías de envasado novedosas. En el futuro, reconocemos la investigación en curso hacia el desarrollo de materiales con fotorreactividad superior y menos toxicidad para la optimización de estos dispositivos. Nuestro trabajo contribuye significativamente a la construcción de redes esenciales para futuros sistemas de computación neuromórfica y visión artificial. Sienta una base prometedora para aplicaciones potenciales, incluidos dispositivos de pequeña escala, aplicaciones móviles y tareas complejas de reconocimiento visual en áreas como los sistemas robóticos, lo que corrobora aún más el potencial de nuestros hallazgos36.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado en parte por el Programa de Investigación en Ciencias Básicas a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el Ministerio de Ciencia y TIC (NRF-2022R1F1A1075165), en parte por el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea ( NRF) financiado por el Ministerio de Ciencia y TIC (2021M3H2A1038042) y en parte por Samsung Electronics bajo la subvención IO201209-07879-01.

Departamento de Ingeniería Electrónica, Universidad Sogang, 35 Baekbeom-ro, Mapo-gu, Seúl, 04107, Corea

Taewoo Kim y Kwang Seok Yun

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TK: conceptualización, metodología, investigación, redacción: borrador original. K.-SY: Supervisión, Redacción: revisión y edición, Administración del proyecto.

Correspondencia a Kwang-Seok Yun.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Kim, T., Yun, KS. Transistores sinápticos fotónicos con nueva capa atrapadora de electrones para un alto rendimiento y un consumo de energía ultrabajo. Informe científico 13, 12583 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39646-w

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Recibido: 26 de enero de 2023

Aceptado: 28 de julio de 2023

Publicado: 03 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39646-w

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