人类大脑拥有约860亿个神经元，通过突触连接的权重调整实现高效学习与记忆。在神经形态计算领域，突触器件的线性度直接决定了神经网络训练的效率与精度。然而，传统有机突触器件依赖电信号传输，受限于界面缺陷和非均匀电荷传输，导致权重更新非线性、能耗高、可重复性差，成为制约高性能神经形态计算发展的核心瓶颈。
日前，天津大学黄辉、陈皓团队与中国科学院大学彭谦团队发表突破性研究成果，成功开发出基于“电荷分离缓冲自适应发光”（CSBAL）机理的线性度可编程有机全光突触（LAPS）。该器件完全借助光子进行信息传递，绕开了传统电子突触的复杂电荷传输问题，在线性度、能耗和速度等关键指标上取得了突破。
2026年7月31日，相关工作以“Organic synapses with programmable linearity for neuromorphic computing”为题发表在《Nature Materials》上。
图1. 传统电子突触与全光突触的对比示意图。
要点一：分子工程实现低线性度与超低能耗
研究团队设计合成了三种结构类似的客体分子（BINN、BINO和BINC），并将其与主体分子TPP共混构建了三个LAPS体系。通过系统的分子工程调控，团队精确控制了光激发后电荷分离态（CS）的生成效率与动力学过程。实验表明，TPP:BINN体系展现出最优异的性能：其线性度参数（ν）低至0.0093，创下所有已报道有机突触的最佳纪录；每个突触事件的光学触发能量仅需59 仄焦耳（zJ），再次刷新最低能耗纪录；响应时间快至1.39纳秒，达到同类器件的最高水平。此外，器件具有99%的均匀性和97%的重复性，远超受不稳定暗电流困扰的传统电子突触。
图2. 分子结构及光物理性质的表征。
图3. LAPS的突触性能相关测试。
要点二：揭示“电荷分离缓冲自适应发光”工作机理
团队通过电子顺磁共振、飞秒/纳秒瞬态吸收光谱等实验手段，结合量子化学计算和动力学方程分析，系统揭示了LAPS的工作机理。研究发现，在TPP:BINN和TPP:BINO体系中，光激发后客体分子向主体分子发生电子转移，形成CS态；而TPP:BINC体系因能级不匹配，无法形成CS态，因而无突触活动。
基于此，团队提出了CSBAL机理：CS态像一个“光充电缓冲池”，在光照下不断积累光生电荷，在暗处则缓慢释放，实现自适应发光。更重要的是，通过调控客体分子的结构，可以精确调节反向电荷转移速率（kc），从而实现对突触线性度的可编程控制。理论分析表明，TPP:BINN中更小的分子描述符UTL（0.72 eV）对应更低的kc值，最终实现了近乎理想的线性响应。
图4. LAPS的发光机制与工作原理。
要点三：全光传感器系统实现高质量图像采集与识别
基于LAPS的高线性度优势，研究团队构建了全光子传感器系统（APSS）。传统光电探测器阵列依赖电信号传输，易受磁热干扰，不可避免地引入白高斯噪声，降低图像清晰度。而APSS通过光学传输信息，有效抑制了噪声引入，显著提升了图像采集质量。
在模拟的神经网络训练中，采用高线性度LAPS（TPP:BINN）的差分对架构，在Fashion-MNIST数据集上的识别准确率高达89.44%，与软件理想基线（90.2%）的差距仅为0.76个百分点；而低线性度器件（TPP:BINO）的准确率仅为78.97%。这一对比直接证明了可编程线性度是实现高性能类脑学习的关键决定因素。
图5. APSS系统架构、图像采集对比及神经网络训练结果。
要点四：从分子设计到类脑计算的完整范式
该研究的创新性不仅在于性能指标的突破，更在于建立了从分子结构设计、电荷分离动力学调控、突触线性度编程到高性能神经形态计算的完整研究范式。团队通过系统的分子工程，在TPP:BINN、TPP:BINO和TPP:BINC三个体系中建立了客体分子结构、CS态生成效率与突触性能之间的构效关系。
器件在长达150天的存储后仍保持稳定性能，在18,000次光脉冲刺激后衰减仅约10%，展现出卓越的长期运行可靠性。此外，APSS在Cifar10、MNIST等多个数据集上均实现了比传统光电探测器阵列更高的识别精度，验证了全光信息传输路径在抗噪方面的独特优势。
总结：作者利用TPP:BINN、TPP:BINO和TPP:BINC分子体系，成功开发了线性度可编程有机全光突触。通过系统的分子工程，建立了客体分子结构调控CS态动力学与突触线性度之间的构效关系。器件不仅实现了创纪录的线性度（ν = 0.0093）、超低能耗（59 zJ）和超快响应（1.39 ns），更重要的是系统揭示了电荷分离缓冲自适应发光机理，并构建了全光传感器系统，在多种图像识别任务中展现出接近软件理想基线的识别精度。这项工作不仅为克服神经形态计算的非线性难题提供了关键分子设计策略，更为开发超低能耗、高性能的类脑视觉芯片铺平了道路。
【原文链接】https://doi.org/10.1038/s41563-026-02689-1
