面向神经形态显示的有机电子材料与器件

数字化时代, 高度信息化已成为日常生活的常态. 显示技术在人机交互中扮演着至关重要的角色. 然而, 传统的智能显示技术逐渐难以适应日益复杂的人机交互环境. 在这一背景下, 神经形态技术作为一种新兴的前沿技术, 弥补了现有显示技术的不足之处. 通过将神经形态技术与传统显示技术有机结合, 可以充分发挥其在传感、驱动和显示方面的巨大优势. 有机电子器件具有低制备成本、材料多样性等优势, 能赋予基于其构建的神经形态器件丰富的功能性. 因此, 神经形态显示有望成为有机电子学未来在显示技术发展的重要方向之一, 可以为日益复杂的人机交互环境提供更出色的解决方案. 本综述全面总结了有机神经形态技术在显示技术中的最新进展, 归纳了其在神经形态显示中的3个重要发展方向, 并探讨了其最先进的设计和未来可能的发展.

在如今高度信息化的时代, 电子产品已经成为人们生活不可或缺的一部分. 在互联网和物联网的高度覆盖下, 电子硬件系统广泛应用于各个领域. 对于大多数电子产品而言, 显示技术是人机交互中不可或缺的一部分. 为了提供更出色的人机交互体验, 显示技术正朝着超高集成度、超高分辨率、大尺寸和智能化等方向蓬勃发展. 智能显示是显示技术与人工智能结合的成果, 旨在提供更便捷的人机交互体验. 现有的智能显示广泛采用分布式操作系统, 通过传感器和处理器结合, 在设备互联基础上的实现全场景显示. 目前, 智能显示已经在可穿戴设备、手机、车载系统、医疗设备等领域广泛应用.

显示技术的主要硬件架构包括感知模块、驱动模块和发光模块三个部分. 感知模块用于接收真实世界的信息并传递给驱动模块, 驱动模块对接收到的数据进行分析处理, 发光模块接收驱动模块处理后的数据进行显示. 但是, 传统智能显示架构基于冯·诺依曼体系, 其本质上采用了存储与计算分离的策略, 这限制了显示技术未来进一步的发展. 在这种架构下, 驱动模块和传感模块在物理空间上的相互分离, 导致数据交互效率低和传输延迟显著. 而发光模块与驱动模块在物理空间上的相互分离则导致显示面板集成度低下、制备工艺复杂.

神经形态技术作为一种新兴的前沿技术, 已被广泛应用于各个领域. 其可降低系统功耗, 实现频繁人机交互以及达到全场景适应等目的. 在最近的研究中, 神经形态技术表现出突破显示技术瓶颈的潜力, 有关研究人员探索了三个主要方向: (1) 功能化传感模块: (2) 全能型驱动模块: (3) 一体化发光模块. 在此基础上,Chen等在2022年引入了神经形态显示的概念, 创新性地提出了一种基于神经形态器件的显示技术. 这种新的显示技术有望彻底改变现有的人机交互模式, 在智能显示领域展现出重大的潜力. Chen等模拟人脑的工作方式, 将传感、驱动、显示与神经形态计算进行有机结合, 深入探索显示领域的感、存、算、显一体化, 最终开发出具有自主学习和认知功能的超低功耗智能显示系统(图1). 神经形态显示不再是简单的对发光像素的亮度进行调整, 而是拥有独立的学习和思考的能力的智能显示.

图1 神经形态显示的工作流程

神经形态显示技术离不开神经形态器件, 而有机材料在神经形态器件领域拥有多项独特优势. 有机电子器件能够以更低成本和更简便的设备(如溶液法、3D打印、喷墨打印等)进行大规模制备, 与显示技术的大面积和低成本趋势相契合. 有机材料的灵活性赋予基于其构建的神经形态器件丰富的功能性, 能够满足未来显示技术在各个领域的差异化发展需求. 此外, 基于有机材料的神经形态器件与现有显示产业具有出色的兼容性, 因此被视为下一代显示器件的杰出候选之一, 有望推动智能显示产业向神经形态显示过渡. 从目前已有的研究报道来看, 有机神经形态器件已在传感、驱动、发光领域取得了可观的进展.