中国科学技术大学孙海定教授iGaN Lab课题组与武汉大学刘胜院士团队合作，成功开发了以第三代半导体氮化镓（GaN）为核心材料的光电神经突触器件，实现了化学调控的神经形态功能。该研究首次提出了利用光电化学器件架构，结合传统半导体构筑新型半导体/电解质异质界面，并逼真模拟了生物体中的复杂视觉行为。该成果以“Optoelectronic synapses with chemical-electric behaviors in gallium nitride semiconductors for biorealistic neuromorphic functionality”为题，近期发表在国际学术期刊《自然·通讯》上（Nature Communications 15, 7671 (2024)）。
光电突触通过整合经典光电效应与突触可塑性，成为人工视觉和光子神经形态计算的核心模块。然而，大多数光电突触主要依赖传统光电物理过程，无法模拟生物系统中的化学-电突触过程，较大程度限制了其功能性和应用场景。
近年来，光电化学器件因其将物理和化学过程相结合的独特工作优势，逐渐成为研究热点。该类器件不仅涵盖了经典半导体物理中的光生载流子行为，还包括在半导体/电解质溶液界面上的化学反应过程，为实现更复杂的光电功能提供了新的器件架构。
基于此，团队报道了一种基于p-AlGaN/n-GaN半导体纳米线的光电化学突触器件，该器件结合了半导体中的光电过程和溶液介导的化学-电过程，展示了双模态可塑性和化学调控的神经形态功能。通过电调制，该器件实现了短期和长期突触可塑性的切换；通过纳米线表面的化学修饰，增强了突触响应。此外，器件还能在不同电解质环境下模拟化学调控的突触行为，并模拟了氧化应激引发的视觉认知衰退等生理现象。
光电化学突触器件概念
如图1a所示，模仿生物视觉系统，我们提出了光电化学突触器件。该器件不仅包含了传统的半导体光电过程，还涉及与生物视觉系统类似的溶液介导的化学-电过程。因此，该器件可以通过物理或化学手段调控突触行为和神经形态功能（图1b）。
图1 生物视觉系统和光电化学突触的示意图。(a) 生物视觉系统（上）和光电化学突触（下）的示意图。(b) 光电化学突触中通过物理（左）和化学手段（右）调节突触活动的示意图。
双模态光电突触行为
团队通过p-AlGaN/n-GaN半导体纳米线构建了光电化学突触器件（图2b-d），通过改变电路状态，实现了在电流模式（闭路状态）和电压模式（开路状态）之间的灵活切换，并分别展示了短期和长期突触可塑性（图2a和2e）。在两个模式下，通过调整光刺激参数，可以调控器件的突触响应强度（图2f-k）。
图2 光电化学突触的结构和双模态突触行为。（a）闭路电流模式下突触响应。（b）光电化学突触器件示意图。（c-d）氮化镓异质结纳米线材料表征。（e）开路电压模式下突触响应。（f-k）两个模式下，突触响应和光刺激参数的关系。
表面化学铂修饰调控突触响应
通过光沉积方法在氮化镓纳米线表面固定铂金属颗粒，调控了外部电解质介导的电荷消耗及内部电荷传输，有效增强了突触响应（图3a和3b）。闭路模式下，突触响应显著增强，开路模式下也有轻微增加（图3e和3h）。表面化学修饰后，器件依然能够通过光刺激参数进行调控（图3e-j）。
图3 通过表面化学铂修饰调节突触可塑性。（a-b）负载铂前后载流子行为示意图。（c-d）铂纳米颗粒表征。（e-g）负载铂颗粒后，闭路下器件的突触响应。（h-j）负载铂颗粒后，开路下器件的突触响应。
溶液调控突触行为与氧化应激生物现象模拟
利用光电化学突触器件的溶液工作环境，通过改变电解质溶液中的离子种类和浓度，成功模拟了化学调控的突触活动（图4a-c）。更进一步，引入过氧化氢模拟了氧化应激生物现象，包括学习记忆和视觉感知能力的衰退（图4d-h）。
图4 溶液调控突触可塑性和氧化应激行为模拟。（a-c）不同溶液种类、浓度、pH值和抗化血酸（AA）浓度对突触响应的影响。（d-e）生物氧化应激现象示意图。（f）不同浓度过氧化氢对器件突触响应的影响。（g-h）利用光电化学突触模拟学习记忆能力和视觉感知能力衰退。
光电化学突触器件不仅突破了传统光电神经突触器件的局限性，借助其独特的溶液工作环境，还能够与生物系统兼容并实现一体化集成，有望在仿生视觉、神经形态生物传感、光控脑机接口和神经假肢修复等领域开辟新的应用前景，为未来光电子与生物电子的交叉与集成应用提供新的发展方向。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51194-z
