Advanced Materials | 基于雙極性黑磷憶阻器的全光操控邏輯運(yùn)算與多光譜圖像識(shí)別
在當(dāng)前智能感知領(lǐng)域,發(fā)展面向機(jī)器視覺(jué)的類腦與神經(jīng)形態(tài)硬件已成為核心趨勢(shì)。光電憶阻器因具有“感、存、算一體”特性,被視為構(gòu)筑神經(jīng)形態(tài)器件的重要基石。但現(xiàn)有器件高度依賴“光電協(xié)同”來(lái)誘導(dǎo)突觸行為,為擺脫電信號(hào)依賴,實(shí)現(xiàn)真正意義上的全光操控——即開(kāi)發(fā)寬光譜響應(yīng)且極性隨波長(zhǎng)可調(diào)的光電憶阻器,是打開(kāi)全光神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)大門(mén)、實(shí)現(xiàn)類腦視覺(jué)感知的重要挑戰(zhàn)。
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)院材料所材料人工智能研究中心王佳宏研究員課題組在雙極性神經(jīng)形態(tài)器件領(lǐng)域取得新突破,在材料學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上發(fā)表了題為"Spectrally Defined Bipolar Black Phosphorus Memristor Enables All-Optical Boolean Logic and Multispectral Computing"的研究論文。提出用非化學(xué)計(jì)量氧化鉛包覆黑磷,一方面提升器件穩(wěn)定性,另一方面實(shí)現(xiàn)非易失性電阻開(kāi)關(guān)行為和光譜依賴的全光響應(yīng)性;并進(jìn)一步利用器件的雙極性特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了全光布爾邏輯運(yùn)算與多光譜圖像處理。
主要工作亮點(diǎn)如下:
氧化鉛原位修飾顯著提升黑磷憶阻器穩(wěn)定性?研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在黑磷(BP)納米片表面引入非化學(xué)計(jì)量比氧化鉛(PbOx)超薄包覆層,實(shí)現(xiàn)了對(duì)BP表面的原位修飾。該包覆層通過(guò)形成P-Pb-O化學(xué)鍵,有效鈍化了BP表面的孤對(duì)電子,并阻斷了空氣中O2和H2O對(duì)BP的侵蝕。所制備的PbOx-BP憶阻器在暴露于空氣中60天后,仍能保持超過(guò)105次循環(huán)耐久性。
光譜調(diào)控的雙極性 在不同波長(zhǎng)作用下,PbOx-BP憶阻器中發(fā)生不同光-化學(xué)機(jī)制調(diào)控的銀導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)與斷裂,從而實(shí)現(xiàn)雙極性的正/負(fù)光電響應(yīng)。在紫外光(365-405 nm)下通過(guò)氧化銀絲產(chǎn)生負(fù)光電導(dǎo)行為,在可見(jiàn)光(520-785 nm)下通過(guò)將銀離子還原回金屬態(tài)表現(xiàn)出正光電導(dǎo),在紅外光(980-1,550 nm)下光熱效應(yīng)熔化銀導(dǎo)電絲展現(xiàn)出負(fù)光電導(dǎo)行為(圖1)。
全光布爾邏輯運(yùn)算和多光譜遙感圖像識(shí)別應(yīng)用 基于這種光調(diào)制的雙極性阻變可調(diào)的能力,基于該憶阻器成功實(shí)現(xiàn)了14種不同類型的全光操控布爾邏輯運(yùn)算。此外,還實(shí)現(xiàn)了邊緣提取、光譜噪聲抑制等圖像預(yù)計(jì)算任務(wù),并構(gòu)建了全光卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),在16種作物類別識(shí)別任務(wù)中,系統(tǒng)分類準(zhǔn)確率最高達(dá)到98.6%展示出該器件在多光譜機(jī)器視覺(jué)與智能識(shí)別中的應(yīng)用前景(圖2)。
王佳宏研究員課題組圍繞光電憶阻器等神經(jīng)形態(tài)類腦器件長(zhǎng)期布局,本工作是磷化銅納米帶類腦突觸(Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (14), 2110900)、二維鎘磷硫非易失憶阻器模擬十進(jìn)制運(yùn)算(Adv. Funct. Mater. 2023, 33 (9), 2211269)、磷酸化石墨烯易失性/非易失性阻變特性調(diào)節(jié)和圖像識(shí)別(Adv. Funct. Mater. 2025, 35 (16), 2416794)、二維釩基異質(zhì)結(jié)憶阻器實(shí)現(xiàn)近紅外下復(fù)雜場(chǎng)景下的目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別(Adv. Mater. 2026, 38 (10), e12238)之后的又一突破。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院王佳宏研究員、喻學(xué)鋒研究員,東莞理工學(xué)院葉蔥教授為本文通訊作者,先進(jìn)院聯(lián)培博士柯善武、博士后李陽(yáng)和渠源多為本文共同第一作者。研究獲國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省杰出青年項(xiàng)目、廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目支持。

圖1 | (a)?基于非化學(xué)劑量比氧化鉛包覆黑磷的憶阻器實(shí)現(xiàn)覆蓋紫外、可見(jiàn)和紅外波段的非易失阻變,(b)?不同波長(zhǎng)誘發(fā)的正負(fù)光電響應(yīng)

圖2 | (a)?實(shí)現(xiàn)的14種全光布爾邏輯運(yùn)算操作,(b)?結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多光譜遙感圖像處理和分類識(shí)別
附件下載: