Phase-Engineered In2Se3 Ferroelectric P-N Junctions in Phototransistors for Ultra-Low Power and Multiscale Reservoir Computing

材料科学 铁电性 超低功耗 光电子学 相(物质) 纳米技术 功率(物理) 物理 功率消耗 电介质 热力学 量子力学
作者
Jing‐Feng Li,Xiaoting Wang,Yang Ma,Wei Han,Kexin Li,Jingtao Li,Yi Wu,Yuehui Zhao,Tao Yan,Xiu Liu,Haolin Shi,Xiaoqing Chen,Yongzhe Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (13): 13220-13229 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c00250
摘要

Two-dimensional (2D) ferroelectric field-effect transistors (Fe-FETs) based on p-n junctions are the basic units of future neuromorphic hardware. The In2Se3 semiconductor with ferroelectric, photoelectric, and phase transition properties possesses great application potential for in-sensor computing, but its ferroelectric p-n junction (FePNJ) is not well investigated. Here, we present an optoelectronic synapse made of uniformly full-coverage α-In2Se3/WSe2 FePNJ, achieving ultralow-power classification recognition and multiscale signal processing. Using chemical vapor deposition (CVD), we can obtain β'-In2Se3/WSe2 subferroelectric p-n junctions by direct growth on SiO2/Si substrate and α-In2Se3/WSe2 FePNJ by phase transition. Modulated by the synergistic effect of the polarization electric field and the built-in electric field, the FePNJ exhibits significantly enhanced and highly tunable synaptic effects (memory retention >2500 s and >8 multilevel current states under single optical/electrical pulses), along with power consumption down to atto-joule levels. Utilizing these photoelectric properties, we constructed an all-ferroelectric in-sensor reservoir computing system, comprising both reservoir and readout networks, achieving ultralow-power handwritten digit recognition. We also created a multiscale reservoir computing system through the gate-voltage-modulated relaxation time scale of the FePNJ, which can efficiently detect motions in the 1 to 100 km h-1 speed range.
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