Advanced Functional Materials:范德华异质结光电调控特性用于感存算一体器件

光电传感器可对能引起光量变化的多种物理量进行实时检测,从而获取外部环境信息,是机器视觉等先进应用的关键技术之一。目前,主流光电传感系统依赖于“传感-计算-存储”多单元结构,数据的频繁转换和搬运使得系统工作能耗和数据延迟大幅增加。同时,随着大数据、物联网等信息技术的快速发展,端侧光电传感器与存算单元间的冗余数据量急剧增长,传统传感系统的信息处理效率亟需提升。融合“传感-计算-存储”功能于一体的感存算器件可在单一工作单元内直接处理采集到的信息,从而消除数据转换、搬运过程,减少冗余数据传输,提升系统能效,被广泛认可为下一代传感系统的发展方向。然而,如何构建满足感存算一体系统功能需求的光电器件,并在器件层面实现光信息探测与处理,正成为该技术的一大挑战。

近日,西安电子科技大学郝跃院士团队刘艳教授、罗拯东副教授与西北工业大学甘雪涛教授课题组合作,基于二维层状材料异质结构建了具有光电传感、计算和存储功能的感存算一体原型器件。在这项工作中,合作团队以graphene/hBN/MoS2异质结为研究对象,制备了性能优异的光电浮栅晶体管。该器件可在光激励下,呈现非易失型阻态翻转,从而实现对光信息的探测和存储。在此基础上,合作团队在该器件中实现了受背栅电调控的光致阻态翻转极性变化,即:在高阻态时,器件受光激励呈现非易失型阻态减小,而在低阻态下,器件受光激励呈现非易失型阻态增大。利用这种光电响应特征,研究团队基于该器件展示了可重构光电布尔逻辑功能,并构建了NAND-NOR两种通用逻辑门;从而在探测和存储功能外,成功实现了器件层面的光信息计算功能,构筑了感存算一体单元。进一步地,通过调整光脉冲强度以及激励次数,该器件可展现出易失型以及非易失型两种光电忆阻行为,可用于模拟视觉神经突触地短时程可塑性和长时程可塑性,并实现类脑视觉学习和记忆功能。该研究在二维层状材料异质结中发现了多种新奇的光电物理现象,并通过挖掘这些物理特性成功设计了具备光电感存算一体功能的原型器件,为未来智能光电传感系统提供了一种新的器件技术。

论文信息:

Controlled Optoelectronic Response in van der Waals Heterostructures for In-Sensor Computing

Qiyu Yang, Zheng-Dong Luo*, Dawei Zhang, Mingwen Zhang, Xuetao Gan*, Jan Seidel, Yan Liu*, Yue Hao, Genquan Han

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202207290

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202207290