2D Bi2O2Se-石墨烯混合结构实现双向全光突触助力多功能光电子学

半个世纪以来，冯·诺依曼计算机一直是解决结构化数学问题的主要工具，并取得了巨大的发展。然而，随着高能效和智能计算需求的不断增长，传统的冯·诺依曼计算机面临着带宽不足和能耗过高等问题，迫切需要新的计算架构来应对这些挑战。近年来，人脑的神经系统成为了一种备受期待的生物超级计算机系统，因为它拥有学习、识别、感知和记忆等高度并行信息处理能力，具有高速计算和极低能耗的优势。这个系统由神经元网络组成，这些神经元网络之间通过数以万亿计的突触连接进行通信，模拟了人脑的复杂功能。

为了模拟突触的生物行为，研究人员提出了一种神经形态装置，通过触发具有不同电导值的动作电位来调节突触的权重。这一创新方法使得人工突触具有了短期可塑性、长期可塑性和尖峰率依赖可塑性等功能。尽管已经进行了广泛的突触模拟研究，但大多数设备仍然依赖于电信号的刺激来调节其电导，这在带宽、连接密度和互连问题上存在限制。此外，人类的感知刺激几乎都来自外部源，无法完全用电信号来模拟。因此，光学突触被认为是一种有前途的选择，它可以提供比电突触更大的带宽、更快的信号处理速度和更低的能耗，并为人工视觉系统等应用提供了新的可能性。

最近，一些光电神经形态装置被提出用于模拟突触行为，其中一些可以实现兴奋性和抑制性突触后电流。然而，大多数这些装置仍然依赖于不可见光源，这限制了它们在人工视觉系统等应用中的使用。在这方面，新兴的层状硒化铋（Bi2O2Se）材料表现出了出色的电子迁移率、宽带光响应和环境稳定性，适用于多种光电子器件。尽管这一材料具有潜力，但迄今为止还未在光学突触应用中得到广泛采用。

本研究首次将Bi2O2Se与石墨烯混合结构应用于光电探测器、光电子学、神经形态装置和数字逻辑运算等多个领域。这种混合器件可以通过激发不同波长的光源来控制其正负光响应，无需额外的栅极控制。这一特性使得我们能够模拟主要的突触功能，例如短期记忆、长期记忆、长期增强和长期抑制，通过调节光电导。此外，通过不同波长的光输入和光开关，我们还能够在同一设备中实现逻辑功能，如“AND”和“OR”。

通过使用开尔文探针力显微镜，我们观察到了Bi2O2Se /石墨烯层的表面电位变化，支持了这种双向光响应机制。这一研究为构建神经形态系统提供了一种创新且高效的途径，将硒化铋材料引入光学突触领域，为未来的计算和光电子学开辟了新的前景。

Bi2O2Se的制备：采用低压化学气相沉积（LPCVD）方法制备了均匀、高质量的Bi2O2Se单晶，如图1a 所示。简言之，将Bi2O3和B2Se3粉末放置在室的中心和上游以产生蒸气源。由于新劈裂的云母与Bi2O2Se表现出强烈的相互作用，因此它是横向二维生长的合适基材。将该云母基材放置在室的下游侧。在典型的生长条件下，压力保持在100托，中心区温度保持在700℃ 40分钟，然后自然冷却至室温。

图1 Bi2O2Se的CVD合成及表征

光电探测器的应用：光介导的激发是通过分别用 635 和 365 nm 的波长照射光电探测器来进行的。在这里，这种混合光电探测器表现出两种响应模式，即正光电导（PPC）和负光电导（NPC）。PPC通常是由激发更多电荷（电子或空穴）从价带到导带的照明产生的，从而导致半导体电导率的增加。此外，NPC是指半导体在光照下电导率降低。光对 Bi2O2的影响分别研究了 1 V 电压下的 Se 和石墨烯通道，以区分混合器件中的 NPC 和 PPC。

机理：，在强度为 1.2 mW cm ^-2 ^的635 nm 照明下Bi2O2Se的电流变化被区分为两种状态的行为，表明这种 PPC 行为涉及两种效应。在第一区域中，随着灯的开启，器件的电流在短时间内显着增加。这种快速响应是指在其他光电材料中观察到的光电导性。此后，第二区域中的电流逐渐增大。这种缓慢的响应归因于先前报告中描述的辐射热效应引起的热载流子注入。因此，我们得出Bi2O2Se的PPC现象是由光电导效应和测辐射热效应共存引起的。相反，在石墨烯中观察到NPC行为，如图2c所示。在波长为365 nm的照射下，石墨烯的电流逐渐减小，并且随着光强度从0.6增加到4 mW cm^-2^ ，电流的衰减取决于光强度。电流减少的这种缓慢响应可以通过光诱导的物理气体从石墨烯表面的解吸和吸附来解释。由于该器件处于大气中，氧分子充当受体，电子将从石墨烯流向吸附物，这使得石墨烯的费米能级移至低能级，形成p型掺杂层。这种提出的电荷转移机制在基于石墨烯的气体传感器中被广泛接受。

图2 在 Bi2O2Se/石墨烯混合器件中观察到正光电导性和负光电导性

KPFM测试：基于KPFM测量，这两种效应分别通过Bi2O2Se在635和365 nm照射下相反的费米能级变化得到验证。通过用 635 nm 波长照射器件来实现Bi2O2Se费米能级变化的增加，这表明存在光电导效应。相反，观察到Bi2O2Se在 365 nm 照射后的费米能级较低，这与辐射热效应直接相关。通过这种方式，可以观察到 365 nm 照射下的石墨烯的 NPC 行为。石墨烯的费米能级增加以接近狄拉克点，因为空穴载流子的浓度因氧或水分子从石墨烯表面的解吸而降低。总体而言，用于解释该机制的 KPFM 结果与Bi2O2Se/石墨烯杂化结构中的光响应一致。PPC 和 NPC 之间光响应的转变分别通过 635 nm 和 365 nm 的照明实现并完全解释。

图3 采用 KPFM 来揭示Bi2O2Se/石墨烯薄膜的表面电位差 (SPD)并构建具有不同光调制的混合结构的能带图

突触可塑性的模拟：这一独特的光响应性有助于模拟突触的短期和长期可塑性。这是由光电导、测辐射热和光诱导解吸的综合作用实现的。我们可以实现所有光刺激的长期增强或长期抑制，从而为神经形态硬件开辟了新的可能性。

图4 光刺激下Bi2O2Se/石墨烯突触器件中的突触功能

数字逻辑功能的全光调制：展示了这些器件在数字逻辑功能方面的应用，如“AND”和“OR”操作。通过全光调制，我们能够执行这些逻辑操作，进一步证明了Bi2O2Se/石墨烯混合结构的多功能性。

图5 光电数字逻辑应用

综合而言，所提出的基于Bi2O2Se/石墨烯的光电器件代表了未来多功能人工神经形态系统开发的创新且高效的构建模块。这项研究为光电子学和神经形态计算领域的进展带来了崭新的可能性，有望推动人工智能技术的发展。