季华实验室与天津大学、华南师范大学合作在具有近理论极限不对称因子的圆偏光有机异质结突触光电晶体管研究中取得关键进展。近日，相关成果发表于《物质》（Matter）。

圆偏振光作为光的基本属性之一，其高性能探测器的发展对于实现其多样化应用至关重要。圆偏振光探测器的关键性能指标——不对称因子（g因子），量化了其在区分左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光电转换效率。然而，由于圆偏振光探测器在同时区分手性光并将其转换为电信号时所面临的固有权衡，其性能的提高极具挑战。

具体而言，单晶半导体，因其高的载流子迁移率，表现出优越的光电转换能力。然而，这些单晶材料通常缺乏固有的圆偏振光灵敏度，需要结合多个光学元件，如四分之一波片和线性偏振器，这对器件的小型化和集成化提出了挑战。相反，以螺旋、扭曲或不对称立体中心为特征的手性材料具有感知圆偏振光的能力。迄今为止，采用单一有源手性半导体层的圆偏振光探测器已被开发，但其在平衡圆偏振光辨识和有效电荷传输之间常常面临困难。

面向神经形态密码学的二维分子晶体/胆甾相液晶网络异质结突触晶体管器件的设计理念。研究团队供图

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手性有机半导体固有的高度螺旋结构对高效圆偏振光响应至关重要，但这可能导致分子的不对称堆积无序状态，从而造成缺陷或陷阱态，阻碍载流子的迁移，最终导致圆偏振光光电探测器性能的局限，g因子通常小于0.5。为此，需要一种新的策略，在保持单晶半导体优异电荷传输特性的同时，协同增强手性光学响应。此外，基于人工光电突触的神经形态视觉系统因其在降低成像、分类和推理所需的计算能力和时间方面的潜力而受到广泛关注。

有机材料以其可调谐的光学带隙、溶液可加工性和机械灵活性为神经形态电子学提供了新的机遇。特别是有机光电晶体管在神经形态操作中展现出独特优势，因为它们能够通过光脉冲调节突触的可塑性。尽管具备此潜力，迄今为止尚未有关于圆偏振光敏感突触有机光电晶体管器件的相关报道。因此，要实现g因子接近理论极限的高性能有机圆偏振光敏感突触光电晶体管器件，平衡圆偏振光的识别和光电转换效率，依然是一项严峻的挑战。

该研究中，季华实验室副研究员张钰、助理研究员董美秋与天津大学教授胡文平/杨方旭团队、华南师范大学副研究员袁冬合作，在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助下，研究展示了有机二维分子晶体和胆甾相液晶网络薄膜的巧妙集成，形成了双层异质结，以实现高性能的圆偏振光敏感光电突触器件。二维分子晶体周期性有序的分子堆积和分子级厚度增强了激子的有效解离，从而使突触光电晶体管具有3.45×10⁴AW^?1的卓越响应率。

论文第一作者张钰表示，该研究利用集成在二维分子晶体上的胆甾相液晶网络薄膜固有的手性光学性能，该装置对圆偏振光表现出明显的突触反应，其不对称因子高达1.97。此外，基于不同兴奋性突触后电流水平的二进制输出状态展示对手性数据鲁棒编码和加密应用。

该研究工作在极化神经形态视觉系统中的创新集成增强了光子设备的能力，并为安全视觉数据编码和传输探索了新的路径。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.101945