近期，物理與信息科學學院材料原子分子科學研究所許并社領(lǐng)導的認知材料團隊尉國棟教授小組青年教師王盼在著名國際學術(shù)期刊《Advanced Science》上發(fā)表題為“Highly Promising 2D/1D BP-C/CNT Bionic Opto-Olfactory Co-Sensory Artificial Synapses for Multisensory Integration”的高水平論文。我校碩士研究生董李艷為第一作者，研究生薛寶靜為共同第一作者，尉國棟和王盼為共同通訊作者，陜西科技大學為唯一通訊單位。在這項研究中，該團隊研究人員開發(fā)了基于BP-C/CNTs (2D/1D)異質(zhì)結(jié)構(gòu)濾膜的仿生光嗅覺共感人工突觸器件，集成了光調(diào)制、氣體檢測和生物突觸功能，模擬了多感覺神經(jīng)元特征。這項工作為研究多重感知人工突觸器件提供了一種新方法。該成果的發(fā)表體現(xiàn)了我校在黑磷多重感知人工突觸器件領(lǐng)域的影響力。
傳統(tǒng)計算機采用的馮·諾依曼架構(gòu)體系處理器與內(nèi)存在物理上是分離的，使得計算機內(nèi)數(shù)據(jù)運算需要消耗大量的時間和功耗。而人腦在實現(xiàn)高速并行運算的同時也能保持超低的功耗，這是因為人類大腦不僅能夠處理單模態(tài)感官輸入，還能通過初級感覺區(qū)的神經(jīng)元整合多感官信息。鑒于此，開發(fā)模仿人類感官（眼睛、耳朵、鼻子、舌頭和皮膚）的神經(jīng)形態(tài)設(shè)備，實現(xiàn)多模態(tài)感官整合和神經(jīng)生物學行為，對于實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)、感知、計算以及彌合人工智能和自然智能之間的鴻溝具有重要意義。其中，基于憶阻器的人工突觸設(shè)備在學習、分類、識別、感知、信息存儲和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬等復雜任務(wù)具有明顯優(yōu)勢。二維（2D）層狀黑磷（BP）因其獨特光電特性，如可調(diào)帶隙、高載流子遷移率和高吸收系數(shù)，成為光電和嗅覺突觸器件的理想選擇。但BP環(huán)境不穩(wěn)定性阻礙了其在突觸器件領(lǐng)域的發(fā)展。為解決此問題，通過碳原子摻雜，并與一維（1D）碳納米管（CNTs）結(jié)合構(gòu)建BP-C/CNTs范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用BP-C納米片和CNTs之間的協(xié)同效應(yīng)，促進電子轉(zhuǎn)移，提高輸運效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
本研究將2D BP-C和1D CNT相結(jié)合，制備了仿生光嗅覺共感人工突觸器件。此器件不僅模擬了電和光刺激下的基本突觸功能，而且實現(xiàn)了對乙醇和丙酮氣體的超低的檢測限和快速響應(yīng)，乙醇檢測達到了100 ms的顯著響應(yīng)時間，超過了現(xiàn)有文獻中報道的最快的傳感器。通過將光調(diào)制、氣體傳感和突觸功能同時集成在一個設(shè)備內(nèi)，所得到的器件具有模仿多感覺神經(jīng)元特征和功能的能力。這項工作為BP材料在光電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了一定的前期基礎(chǔ)，并為研究高靈敏和高響應(yīng)度的光激發(fā)嗅覺突觸仿生器件提供了新的研究思路。
附：論文信息
Highly Promising 2D/1D BP-C/CNT Bionic Opto-Olfactory Co-Sensory Artificial Synapses for Multisensory Integration. Liyan Dong+, Baojing Xue+, Guodong Wei*, Shuai Yuan, Mi Chen, Yue Liu, Ying Su, Yong Niu, Bingshe Xu, Pan Wang*
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202403665
新聞小貼士：
王盼，女，2016年畢業(yè)于吉林大學，博士，講師。主要從事自旋半導體材料的結(jié)構(gòu)、物性和第一性原理研究。目前主持國家理論物理專項1項，陜西數(shù)理基礎(chǔ)科學研究項目1項，陜西省自然科學基金青年項目1項，陜西省教育廳一般專項項目1項。近年來以第一作者和通訊作者在Adv. Sci., Small, IEEE T. Electron Dev., ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Mater. Chem. C, Phys. Chem. Chem. Phys., CrystEngComm, New J. Chem., J Magn. Magn. Mater., ACS Omega, RSC Adv.等期刊上發(fā)表論文11篇。
1. Liyan Dong+, Baojing Xue+, Guodong Wei*, Shuai Yuan, Mi Chen, Yue Liu, Ying Su, Yong Niu, Bingshe Xu, Pan Wang*, Advanced Science, 2024, 2403665.
2. Weikang Shen+, Pan Wang+, Guodong Wei*, Shuai Yuan, Mi Chen, Ying Su, Bingshe Xu, Guoqiang Li*, Small, 2024, 2400458.
3. Lan Li, Guodong Wei*, Peifen Zhu, Xiantong Wu, Ying Su, Pan Wang*, IEEE Transactions on Electron Devices, 2024, 1-7.
4. Xiantong Wu, Ying Su,*,Yinxiang Wang, Koshayeva Amina, Peifen Zhu, Pan Wang*, Guodong Wei*, Journal of Colloid and Interface Science, 2024, 247-257.
5. Pan Wang, Yong Niu*, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2022, 543, 168660.
6. Pan Wang, Yong Niu*, Wenbin Cao, Yunxia Zhang, Mingzhe Zhang, ACS Omega, 2020, 5(16), 9442-9447.
7. Yong Niu, Pan Wang*, Ming Zhe Zhang, New Journal of Chemistry, 2020, 44(46), 20316-20321.
8. Pan Wang, Rui Zhao, Lixin Wu, Mingzhe Zhang*, RSC Advances, 2017, 7(56), 35105-35110.
9. Pan Wang, Bingxin Xiao, Rui Zhao, Yanzhang Ma, Mingzhe Zhang*, Acs Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(10), 6656-6661.
10. Pan Wang, Zhifang Li, Tianye Yang, Zhiyang Wang, Pinwen Zhu, Mingzhe Zhang*, Journal of Materials Chemistry C, 2016, 4(28), 6784-6789.
11. Pan Wang, Tianye Yang, Rui Zhao, Mingzhe Zhang*, Physical Chemistry Chemical Physics, 2016, 18(15), 10123-10128.
12. Pan Wang, Rui Zhao, Zhifang Li, Tianye Yang, Mingzhe Zhang*, CrystEngComm, 2016, 18(15), 2607-2611
（核稿：張鵬偉 編輯：劉倩）
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