Optical Communication using Nanowires and Molecular Memory Systems

Abstract

Neuromorphic computational networks, inspired by biological neural networks, provide a possible way of lowering computational energy cost, while at the same time allowing for much more sophisticated devices capable of real-time inferences and learning. Since simulating artificial neural networks on conventional computers is particularly inefficient, the development of neuromorphic devices is strongly motivated as the reliance on AI-models increases. A neuromorphic device inspired by the insect brain and capable of navigation, has previously been proposed, where optically communicating semiconductor nanowires form the basis of the network, and a state-of-the-art molecular dye exhibiting reversible bleaching provides the synaptic weights. This Thesis explores integral sub-components of that device, contributing concrete results towards its realization.

The molecular dye is combined with a nanowire array solar cell device in order to fashion a high-sensitivity nanoscale device with integrated memory functionality. Compared to purely electronic "memory-resistors", this approach features a greater potential for multiplexing due to the wavelength sensitivity of different molecular dye species. The effects of dye concentration, deposition method, film thickness and annealing on the molecular photophysics are explored, identifying starting points for a design optimization process. A high degree of repeatability of the memory functionality is shown, even at prolonged high-intensity illumination.

Additionally, opto-electronic single nanowire ciruits, where the open-circuit voltage generated by the illumination of a p-i-n InP nanowire gates an InAs nanowire, are characterized in high-precision Optical Beam Induced Current experiments. Depending on the orientation of the InP nanowire, increase or decrease of the InAs conductance is achieved, suggesting that the circuits could be implemented as excitatory and inhibitory nodes in a nanowire-based neural network. Finally, the optical emission of single InP nanowire devices, previously shown to be able to communicate with each other, is experimentally confirmed and studied.

Popular Abstract (Swedish)

Det är en varm och solig dag. Du ligger på rygg på en grönskande äng och ur ögonvrån ser du ett bi surra av och an tätt ovanför marken, på jakt efter nektar och pollen. Biet tar ett varv runt ängen medan du ligger kvar och funderar ett slag över hur ett sådant bi, som måste flyga hit och dit för att leta upp blommande växter, förmår att hitta hem igen. Dina tankar avbryts av ett surrande: biet närmar sig igen. Men den här gången flyger det målmedvetet fram över ängen, inte längre dansande fram utan i en nästan rät linje rakt ovanför ditt huvud.

Om du hade gissat att biet nu var på väg hem till sin kupa, så hade du gissat rätt. Det är nämligen så att bolevande insekter så som bin, humlor och myror klarar av att ta sig raka vägen hem, oavsett hur krokig vägen under deras utfärd varit. På något sätt måste de hela tiden kunna hålla koll på åt vilket håll "hem" är. Svaret på frågan om hur ett bi förmår hitta hem är komplicerat, men forskare i Lund har lyckats kartlägga delar av humlors hjärna, och där identifierat det nätverk av nervceller som tros ansvara för just denna typ av navigation.

Forskningen som presenteras i denna uppsats syftar till att praktiskt undersöka om man skulle kunna bygga en kopia av detta särskilda nätverk med hjälp av byggstenar som inte är lika fullt komplicerade som de nervceller som utgör insekthjärnan. En av dessa byggstenar är så kallade nanotrådar: en typ av små pinnar mycket tunnare än ett hårstrå. Dessa "nanopinnar" kan fungera både som solceller och LED-lampor. Om man är klyftig kan man placera ut dem på ett sådant vis att varje enskild nanotråd känner av ljuset som de andra skickar ut, i större eller mindre utsträckning. Detta liknar på ett sätt kommunikationen som sker mellan nervceller i en hjärna. Men insekthjärnan, precis som vår egen hjärna, har ett viktigt knep till sitt förfogande: det är nämligen så att kopplingarna mellan nervceller som ofta pratar med varandra stärks, och tvärtom. På det viset kan biet komma ihåg varåt hemmet ligger. I denna uppsats spelas denna viktiga roll av ett färgämne bestående av molekyler som har en lustig egenskap: om man belyser dem, så förlorar de sin färg, men om man sedan låter dem vara i mörker en stund, så återfår de långsamt sin färg igen.

I min forskning har jag undersökt hur ett sådant färgämne beter sig om man bäddar in det i ett tunt lager plast, och vad som händer om man under detta lager placerar en liten solcell bestående av nanotrådar. Lyckosamt nog så beter sig färgämnet mer eller mindre som önskat: i takt med att det bleks, når mer av ljuset solcellen som då genererar en större ström. Om ljuset stängs av för en stund, återfår färgämnet långsamt sin färg, så när ljuset slås på igen dröjer det en stund innan färgämnet åter blekts tillräckligt för att man ska kunna få ut en lika stor ström som innan. Denna självreglerande balansgång mellan ljus och blekning, mörker och färg, verkar alltså kunna bete sig på samma sätt som kopplingar mellan neuroner gör.

Dessutom har jag undersökt om två nanotrådar kan kopplas ihop på ett sådant sätt att belysning av den ena, hindrar elektricitet från att färdas genom den andra. Ytterligare ett annat spår har varit att försöka avgöra hur mycket ljus som en enda nanotråd egentligen kan skicka ut. Sammanfattningsvis kan man säga att resultaten jag kommit fram till bådar gott för en framtida människoskapad minidator som förmår att tänka som ett bi.

Detta kan tyckas avlägset från surrande bin och grönskande ängar, men faktum är att mer och mer av vår energi förbrukas av just datorer, där till exempel det snabbt växande användandet av AI-modeller är en starkt bidragande faktor. Intressant nog visar det sig att hjärn-härmande datorer lämpar sig ypperligt för att utföra den typen av beräkningar som just AI bygger på. Genom att utveckla denna typ av prototyper kan vi alltså bidra till att kraftigt skära ned på kostnaderna i såväl energi som råvaror för just den typen av beräkningar som, vad det verkar, kommer att få en allt större roll i samhället framöver.

• author: Kjellberg Jensen, Thomas
• supervisor: Anders Mikkelsen
• organization: Department of Physics; Synchrotron Radiation Research
• course: PHYM03 20232
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: neuromorphic computing, nanowire, molecular dye, DASA photoswitch, OBIC
• language: English
• id: 9145663
• date added to LUP: 2024-01-18 16:53:06
• date last changed: 2024-01-26 09:22:59