苏州大学迟力峰院士/黄丽珍/薛娣等综述：用于人工视觉的有机光晶体管光子突触

Organic Phototransistor Photonic Synapses for Artificial Vision

Feng Ding, Di Xue*, Lifeng Chi* & Lizhen Huang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 203

https://doi.org/10.1007/s40820-025-02036-0

本文亮点

1. 从功能半导体材料、运行机制及前沿应用三个维度，系统综述了基于有机光晶体管的人工突触最新进展。

2. 深入探讨了新型光晶体管中的负光电导行为，及其在有机光子突触中实现了迷人的信息擦除能力。

3. 展示了由有机光子突触驱动的人工视觉前沿应用与进展，例如人类视觉适应、偏振敏感探测、高维储备池计算以及多模态神经形态加密。

研究背景

随着人工智能与大数据时代的到来，传统冯·诺依曼计算架构因存储与计算单元分离，在处理海量非结构化数据(如图像识别)时面临传输效率低、能耗高的“瓶颈”。受人类大脑并行处理、低功耗特性的启发，构建能模拟生物突触功能的神经形态器件成为突破这一困境的理想路径。其中，利用光信号高带宽、快速传输、低能耗的优势，结合有机半导体材料柔性、可溶液加工及适于大面积制造的特点，基于有机光晶体管的光子突触器件近年来备受关注。这类器件能模拟视觉系统中视网膜神经元的光感知与信息处理机制，为构建高效、柔性的人工视觉系统提供全新可能。

内容简介

基于有机光晶体管的光子突触，因融合了光信号的高带宽、低功耗优势与有机半导体的柔性、可溶液加工特性，在构建高效人工视觉系统方面展现出巨大潜力。苏州大学迟力峰教授、黄丽珍教授以及薛娣博士等系统地综述了该领域的最新研究进展。本文首先阐述了有机光晶体管光子突触的运行原理，介绍了兴奋/抑制性突触后电流、突触可塑性等关键性能参数，并系统梳理了有源层材料(包括有机小分子、聚合物及其与量子点/钙钛矿的杂化体系)的演进与设计策略。在此基础上，文章重点剖析了近年来备受关注的器件双向光响应行为，深入探讨了正光电导与负光电导的共存机制，及其在模拟生物视觉适应、实现高效信息擦除等方面的独特优势。随后，文章系统展示了有机光子突触在前沿应用领域的突破性进展，涵盖人类视觉适应模拟、偏振敏感探测、高维储备池计算以及多模态神经形态加密等方向。尽管该领域发展迅速，文章也指出当前仍面临关键挑战，例如响应速度与能耗的进一步优化、器件稳定性与大面积均匀性的提升，以及与CMOS工艺的兼容集成等问题。最后，文章展望了基于有机光晶体管的人工视觉硬件在未来智能感知、边缘计算和类脑智能系统中的关键应用前景，强调了其对突破传统计算架构、构建下一代高效能机器视觉系统的核心意义。

图文导读

I 从生物视觉到人工光子突触的仿生示意

图1巧妙地构建了一个从生物原型到人工器件的仿生学对应关系，为理解有机光晶体管光子突触的工作机理提供了直观框架。图1a首先展示了人脑复杂的神经网络，凸显其并行处理海量信息的能力，这正是神经形态计算试图模仿的终极目标。进一步地，图1b聚焦于生物神经网络的基本单元——突触，清晰描绘了神经递质跨越突触间隙与突触后膜上的受体结合，产生兴奋性或抑制性突触后电流的过程。这一过程是实现学习与记忆的生物学基础。受此启发，图1c展示了基于有机光晶体管的人工光子突触器件结构：其中，光信号扮演了“刺激”的角色，源/漏电极分别对应突触前膜与突触后膜，而导电沟道中的电流则模拟了神经递质传递的信息。最后，图1d揭示了有机光晶体管独特的双向光响应行为——即同一器件在光照下既可产生正向电流变化(兴奋行为)，亦可产生负向电流变化(抑制行为)，这一特性为模拟生物视觉系统中复杂的适应与信息擦除功能提供了可能。

图1. 仿生光子突触原理。a 人脑接收、传递并处理可见信息。b 生物突触接收兴奋/抑制性神经递质及其对突触后兴奋/抑制的作用。c 光晶体管对光的响应。d 光子突触在正/负刺激下的信息学习与清除过程。

II 有机光子突触功能半导体层材料介绍

图2. 应用于有机光子突触中的不同掺杂类型有机半导体。

近年来，应用于有机光子突触的功能有机半导体材料主要分为三大类：单组分半导体材料、体异质结和平面异质结。图2总结了近年来报道的基于有机光晶体管的光子突触中使用的各种有源层有机半导体材料，包括沟道层和光敏层。

图3. 异质结有机光子突触对各波长光的识别与记忆。

单组分材料制备简单、成本低廉，但激子解离效率较低，通常仅能实现单向光响应；而体异质结和平面异质结则通过构建给体-受体界面或能带工程设计，显著提升了光生载流子的分离与俘获效率，为实现可调谐的突触可塑性提供了材料基础。图3是基于有机异质结的光子突触分别对a紫外光，b红外光以及c可见光的识别和记忆行为展示。

图4. 有机-钙钛矿杂化光子突触。

图5. 有机-量子点杂化光子突触。

除了纯粹的有机-有机异质结外，研究人员还探索了有机材料与其他材料的组合，如钙钛矿(图4)、量子点(图5)、金属氧化物(图6a)、单壁碳纳米管(图6b)、上转化纳米粒子(图6c)和离子凝胶(图6d)，以构建具有更优异导电性和更全面光敏特性的有机-无机杂化结构。除此之外，受生物结构启发，研究人员还构建了氧化锌纳米线(图7a)与双轴突突触晶体管器件(图7b)。通过在有机半导体与这些材料之间构建异质结，可以模拟各种突触功能，从而实现人工视觉应用。

图6. 杂化光子突触：a 有机-金属氧化物。 b 有机-单壁碳纳米管。 c 有机-上转化纳米粒子。 d 有机-离子凝胶。

目前，基于有机光晶体管的光子突触已发展出单组分、体异质结和平面异质结三大材料体系，为模拟突触可塑性奠定了坚实基础。然而，该领域在材料层面仍面临两大挑战：性能与能耗的平衡——高载流子迁移率往往意味着更高功耗，如何寻求二者最优解是持续研究的重点；材料与生物系统的兼容性——例如铅基钙钛矿/量子点虽性能优异，但其生物毒性在模拟人工视觉等应用中仍需审慎考量。

图7. 生物结构启发光子突触：a 有机-氧化锌纳米线突触晶体管。 b 有机双轴突突触晶体管。

III 光子突触光信息感知与存储机制

图8. 无机光晶体管中的负光导响应：a 光强依赖正负光导。 b 波长依赖正负光导。

理解有机光晶体管光子突触的光响应行为与机制，是构建高性能人工突触、模拟生物突触功能的关键前提。器件的工作过程通常涉及两个基本环节：光响应过程与电荷存储过程。前者强调光子突触对外界光信息的有效获取，涵盖光生载流子的产生与输运；后者则旨在实现信号的存储与保持。这两个过程的协同作用，共同决定了器件的突触行为及其可塑性的建立。

在常规认知中，光晶体管受到光照时，沟道电流通常增加，即呈现正光电导响应。然而近年来，光照下沟道电流反而降低的负光电导现象频繁被报道，引发了广泛研究兴趣。负光电导能够直接模拟生物突触的抑制功能，与正光电导协同作用，赋予器件更丰富的神经形态行为。具体而言，通过正负光电导的协同调控，光子突触可以实现突触权重的动态增强与抑制，这正是构建具备学习与记忆能力的类脑系统的基础。负光电导的引入还编码了抑制性突触后电流，有助于降低整体系统的功耗，抑制神经元过度激活，避免信号过载。从应用角度看，在真实场景中采集图像时，光照不均等环境因素会引入非理想噪声。因此，在正光电导之外引入负光电导，构建片上传感自适应器件，能够实现对非结构化信息的原位增强与滤波，对人工视觉适应真实动态环境具有重要意义。

图9. 有机光晶体管中的负光导响应：a 双极性运输调控正负光导。 b 栅压依赖正负光导。

实现有机光晶体管负光电导的常用策略是构建由p型和n型半导体构成的双极异质结沟道层，实现空穴与电子的双通道输运，并在光照下产生可控的双向光响应。目前，负光电导的研究多集中于无机半导体体系。例如，如图8a所示，研究者提出了石墨烯/InSe/h-BN异质结构，通过调节单波长激光的强度实现了光强依赖的正负光电导切换；另有研究利用IGZO/ZrOx全光晶体管，通过不同波长光照诱导缺陷电离，实现了波长依赖的双向光响应 (图8b)。令人鼓舞的是，有机材料领域的负光电导研究也取得了进展。我们团队前期通过双极输运调控，开发出在紫外波段具有可控负光电导的有机薄膜光晶体管 (图9a)；另有研究者构建了具有强近红外响应的有机异质结，通过调制栅极电压实现了对1050 nm近红外光的正负光电导切换 (图9b)。

图10. 有机光子突触中的负光导响应：a 有机薄膜-纳米线阵列异质突触晶体管。 b 有机异质结双向光想要突触晶体管。

回到光子突触这一边，2023年，Xie等人构建了基于C8-BTBT/InGaAs和PC61BM/InGaAs的有机-无机异质结光子突触，利用不同有机材料的主导载流子差异，在紫外至可见光范围内实现了可调的正负光电导响应，并基于4×4器件阵列模拟人眼视觉处理，将图像分类准确率从51%提升至100% (图10a)。随后在2024年，Shi等人设计了PTCDI-C8/C8-BTBT/PTCDI-C8三层异质结结构，通过调节栅极电压在同一器件中实现了正负光电导的可控切换，成功模拟了人眼视网膜在不同亮度环境下的自适应调节功能 (图10b)。这两项研究为构建双向光响应人工视觉系统提供了重要的器件基础。

光子突触的重要特征之一是实现信息的可存储性，这是达成突触可塑性的核心。在基于有机光晶体管的光子突触中，沟道中的载流子被视为信息的载体，信息的写入或擦除可通过前文所述的正、负光电导过程实现。当器件受到光刺激后，光生激子解离为光生电子和空穴，在偏压作用下向源/漏电极移动形成外电流。在这一过程中，载流子可被半导体材料的体相缺陷或界面态捕获并存储，构成了电荷存储过程的基本机制。陷阱态能够暂时束缚电子或空穴，而不同材料界面处的界面态也发挥着类似的电荷存储作用，共同决定了器件的突触行为及其可塑性的建立。

图11. 有机光子突触中的存储机制。

为提升电荷俘获性能，研究者常在沟道材料与介电层之间引入电荷存储层。例如，通过溶液法在PMMA中掺杂C60富勒烯形成杂化结构，或采用蚀刻辅助的聚合物驻极体实现快速电荷存储与释放。值得注意的是，传统驻极体因绝缘特性需要较高电压驱动，而通过氧降解将n型半导体转化为驻极体材料，可在保持能级特性的同时实现高效电荷俘获。然而，陷阱态的设计需要权衡：强极性官能团可诱导浅能级陷阱实现存储，短侧链则产生更深能级的陷阱以获得更长存储时间，但陷阱态也可能增加载流子复合，影响器件响应速度和稳定性。此外，实现长时可塑性还需借助新兴策略，如多孔/离子路径的物理限域、铁电耦合调控以及多层电荷存储结构等，这些进展为构建高性能神经形态学习系统提供了新途径。

IV 有机光晶体管光子突触的前沿应用与进展

受益于有机光子突触在界面激子调控、偏压门控神经调制及类生物动力学模拟等方面的最新进展，其神经形态应用正快速拓展。受人类视觉系统启发，模拟人工视觉成为光子突触最自然且最具前景的应用方向之一，涵盖可见光波长识别及类人眼的光强自适应调节等功能。然而，人类视觉存在固有局限，如无法感知偏振光、难以识别可见光波段以外的信号(紫外/红外)、弱光下识别能力下降等，这限制了光子突触在面部识别、视觉假体、自主导航等智能应用中的进一步发展。经过广泛研究，有机光子突触现已实现运动物体识别、手写数字识别等基础模式识别能力，并进一步演进至摩斯码感知、视觉适应、夜视成像、偏振敏感探测、融合成像及感内计算等多元化应用。随着制备工艺进步，光子突触正逐步实现大规模集成。

图12. 偏振敏感有机光子突触。

偏振敏感神经形态视觉系统是集偏振探测、学习、记忆与处理于一体的多功能平台。传统偏振敏感材料如液晶、超分子聚合物等虽能实现偏振探测，但往往缺乏电荷传输能力，需与光电功能层构建异质结构，导致制备工艺复杂、性能欠佳。有机-无机杂化钙钛矿因其可溶液加工、带隙可调、高吸收系数和高载流子迁移率等优势成为理想候选材料。此外，有机半导体单晶凭借其来源丰富、柔性和可调光电特性也在该领域崭露头角。这些材料在高线性二色性比、高光敏性和多波段响应方面取得了显著突破。

图13. 仿生有机光子突触。

现有的人工视觉系统在结构简洁性、自我调节能力和多功能集成方面尚不及生物原型。例如，光自适应器件和神经形态光晶体管往往采用复杂多层设计，或将探测器与处理器分离集成，增加了制造成本与复杂度。如何将多种功能集成于单一器件仍是关键挑战。近年来，研究者通过简单分子工程实现了突触性能的便捷调控，并首次在大面积、高均匀性器件中演示了视觉系统的四项基本功能，极大简化了电路系统、降低了能耗，为仿生假肢和神经机器人领域开辟了新路径。

图14. 突触安全器件以及突触仿生眼系统。

在信息爆炸时代，基于硬件的神经形态安全器件因其并行计算能力和抗黑客攻击特性备受关注。研究者展示了基于三元异质结构的光子突触器件，其具有波长依赖和刺激时刻依赖两种并行突触特性，实现了83.3%的人脸识别率，并在49天测试和1000次弯曲后保持稳定性能。同时，利用量子点掺杂效应形成的随机电流分布，可构建具有独特模式的物理不可克隆函数安全密钥。另有研究构建了有机全光子突触仿生眼系统，首次实现感测、记忆、处理及光反射保护能力的集成，为构建硬件安全设备和类脑视觉系统提供了新思路。

图15. 有机光子突触集成度的提高。

随着信息技术发展，有机成像芯片对集成度的需求日益提升。无机CMOS芯片虽已实现超大规模集成，但与生物系统及柔性器件的机械兼容性较差。有机成像芯片可弥补这一不足，在可拉伸显示、可穿戴设备和人工视觉系统等领域展现出应用潜力。然而，由于缺乏精确设计的半导体层纳米结构，有机成像芯片在大面积制备或更高集成度方面进展有限。当前研究正致力于攻克这一瓶颈，推动有机光子突触阵列向实用化方向发展。

综上所述，有机光子突触的研究已从单一的光响应器件发展为集偏振探测、仿生适应、安全加密、图像识别及大规模集成于一体的多功能平台。尽管在材料设计、工作机制和应用拓展方面取得了显著进展，该领域仍面临性能与能耗平衡、大面积均匀性、与生物系统兼容性等挑战。展望未来，有机光子突触正从纯视觉系统向多模态感知智能演进，通过整合化学感受、压力传感及生物离子通道等功能，有望实现异构刺激的统一处理，为构建类脑智能、神经接口假体和生物混合系统开辟新路径，推动人工视觉向真正的综合感知智能迈进。

V 总结

本文系统综述了近年来基于有机光晶体管的光子突触在材料体系、工作机制及应用领域的研究进展。在功能材料方面，有机半导体既可充当光敏层将光信号转换为电信号，也可作为沟道材料实现光生电荷的分离与输运。而将二者功能集于一体的异质结结构，已成为构建高性能光子突触的主流选择。研究者通过将钙钛矿、量子点、纳米纤维、碳纳米管等纳米材料与高性能有机半导体复合，构建了有机-无机杂化异质结，实现了低能耗、高性能的光子突触器件。在工作机制方面，通过采用p型和n型半导体构建双极异质结沟道层，实现了电子与空穴的双向输运，并结合栅压与光强调控，成功在有机光晶体管中实现了可控的负光电导响应，为模拟生物突触的抑制行为提供了关键基础。受益于近年来集成工艺的进步，光子突触的应用呈现多元化发展态势。在实现运动物体识别、手写数字识别、图像识别等基础模式识别功能的基础上，研究者进一步开发了集感测、存储与计算于一体的多功能光子突触，实现了摩斯码感知、视觉适应、夜视成像、高维存储、偏振敏感探测、融合成像及感内计算等前沿应用。

尽管有机光子突触领域取得了显著进展，但仍面临性能与能耗平衡、大面积均匀性、与CMOS工艺兼容性以及生物相容性等挑战。展望未来，通过新材料开发、界面工程优化及器件结构创新，有机光子突触有望从纯视觉系统向多模态感知智能演进，为构建类脑智能、神经形态计算和生物混合系统开辟新路径，在边缘智能、可穿戴设备和医疗假体等领域发挥关键作用。

作者简介

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

如果文章对您有帮助，可以与别人分享！：Nano-Micro Letters » 苏州大学迟力峰院士/黄丽珍/薛娣等综述：用于人工视觉的有机光晶体管光子突触