南京航空航天大学刘衍朋团队Advanced Materials：扭转范德华异质结构实现热成像传感器内计算与逻辑运算

纳米人

2025-12-15

近日，南京航空航天大学刘衍朋教授团队以“Twisting van der Waals heterostructures enables thermographic in-sensor computing and logics”为题，在国际权威期刊《Advanced Materials》上发表了研究论文。该工作受生物体热感受器启发，创新性地构建了基于扭转石墨烯/二硒化钛（Gr/TiSe₂）异质结构的热感受器阵列。通过精准调控层间扭转角度（θ），实现了对电子-声子相互作用的有效操控，进而开发出集高精度热成像、传感器内计算与逻辑运算于一体的智能热感知系统。该系统将热图像检测精度提升46%，并在病理细胞识别中达到99%的分类准确率。文章共同第一作者为南京航空航天大学汪洋、陈文发和吕品，通讯作者为刘衍朋教授。该工作得到了南航国际前沿科学研究院郭万林院士和南航航空学院张助华教授等研究团队的指导，国家自然科学基金、国家重点研发计划、国防科技工业核动力技术创新中心基金等多个项目的支持。

挑战：如何实现热感知维度的高性能传感器内计算？

受生物启发的机器视觉技术旨在将计算任务转移至传感端，但现有基于半导体带隙材料的光电传感器难以有效感知长波红外热辐射，更无法在热感知维度实现高效的传感器内计算与信息处理。发展一种能够直接感知热信号、并具备原位计算与逻辑处理能力的新型器件架构，是推动下一代智能感知系统的关键。

图1：扭角式热受体阵列的概念设计

要点1：扭转角度依赖的电子-声子相互作用与热感知机制

研究团队巧妙地将单层石墨烯与少层TiSe₂晶体以不同角度堆叠，构建了系列范德华异质结。利用扫描隧道显微谱学，他们首次发现石墨烯的声子诱导能隙大小强烈依赖于层间扭转角θ，其值从θ=1°时的114 meV非单调地变化至θ=7°时的最小值67 meV。结合分子动力学模拟与密度泛函理论计算，团队阐明这种变化源于θ角调节的层间原子堆叠序（由“堆叠登记指数”量化）及由此导致的层间间距与耦合强度变化。这种可调的电子-声子相互作用，为将异质结转化为灵敏的热电单元（热感受器）提供了物理基础，其热响应范围覆盖20 K至350 K。

图2：Gr/TiSe₂异质结构的扭转角依赖莫尔超晶格

图3：石墨烯的非单调声子带隙变化

要点2：构建多功能智能热感知阵列，实现成像、计算与识别

基于上述机理，团队将具有不同扭转角度的Gr/TiSe₂异质结单元集成，构建了（64×64）热感受器阵列。该阵列本身即构成一个可编程的热电传感矩阵。通过结合卷积神经网络框架，该系统实现了三大功能：

1. 高精度热成像：成功生成了高保真的“NUAA”字母热图，空间分辨率与测温误差均优于传统传感器。

2. 热图像增强与计算：利用不同感受器单元的电导差异作为卷积核，对原始热图像进行实时处理，将平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）分别降低了44.8%和46.3%。

3. 智能识别：将该阵列与图像识别CNN结合，对正常、癌变和发炎的病理细胞实现了高达99%的分类准确率。

图4：热感受器阵列和热感知

要点3：实现热驱动的传感器内逻辑运算，迈向感存算一体

超越单一的传感与计算，该工作进一步展示了热感受器阵列执行基本逻辑运算的能力。通过设计单一感受器单元（结合温度差与偏压双输入）实现了“与”门功能；将两个具有不同θ角的感受器并联，实现了“或”门功能；并将二者结合，演示了“与-或”混合逻辑运算。这一概念验证表明，基于热电势的直接模拟-数字转换与逻辑处理可在传感器端原位完成，极大地简化了未来机器视觉系统的集成架构。

图5：OR、AND及其混合操作的热受体设计原理

总结与展望

本工作通过扭转工程，揭示了Gr/TiSe₂异质结中原子堆叠序对电子-声子耦合及热电性能的关键调控作用，并以此构建了多功能的智能热感知原型系统。该体系不仅实现了高精度热成像与传感器内计算，还展示了热驱动逻辑运算的潜力，为开发新一代低功耗、高集成的神经形态感知芯片提供了全新思路。未来，通过与成熟硅基技术的进一步集成，此类基于二维材料扭转电子学的策略有望在人工智能、物联网和生物医学诊断等领域发挥重要作用。

参考文献：

Y. Wang, W. Chen, P. Lyu, et al. Twisting van der Waals Heterostructures Enables Thermographic In-Sensor Computing and Logics. Adv.Mater. (2025): e19646.

 https://doi.org/10.1002/adma.202519646

团队简介

刘衍朋南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室教授/博士生导师，国际前沿科学研究院（IFS）院长助理，国家级青年人才，“航空航天创新奖”优秀青年创新奖，江苏省“双创人才”，江苏省“杰青”，南京航空航天大学“长空英才”，全国高校黄大年式教师团队等。主要从事石墨烯异质结与器件研究，在Nat Nanotechnol.、Nat Electron.等期刊上发表论文60余篇，授权/公开国家专利23项（转化1项），成果被国内外多位院士所在研究组正面引用和评价。受邀担任《ACS Appl. Eng. Mater》编委，中国微米纳米技术学会高级会员和青年工作委员会委员，微纳米测量与仪器分会理事，全国纳米技术标准化技术委员会低维纳米结构与性能工作组委员，北京/上海/广东省科技评审专家，澳洲ARC评审专家等。近五年多次在国内外大会等担任分会共同主席和做邀请报告，主持基金委、军科委、科工局和工信部等科研项目十余项。