北京交通大学邓涛/清华大学田禾Advanced Science：新型光电可重构晶体管，用于高效的神经形态感知、计算和存储

Wiley

2026-01-09

研究背景

在AI时代，数据的爆发式增长暴露了冯·诺依曼架构在计算延迟和功耗过高方面的局限性。再加上传统的硅基CMOS器件正在接近基本的缩放极限，摩尔定律在指导下一代芯片创新的限制日益凸显。研究人员已经开始利用原始生命活动和电子学理论来构建基于神经形态器件的硬件系统。神经形态设备可以模仿生物神经系统的许多关键节点来获取信息。然而，大多数神经形态设备受到特定执行和离散应用程序的限制，缺乏满足自适应和可扩展需求的一体化多功能集成策略。可重构的神经形态设备通过利用相同的结构和材料来规避异构过程不兼容性，从而消除不同组件之间的功能限制，并自适应地分配硬件资源以实现节能和高性能运行。然而，它们面临两个基本限制：一是结构复杂性：大多数设计需要复杂的架构和制造工艺才能实现多功能重新配置; 二是单模态控制：重点仍然主要集中在电调制上，而忽略了自然刺激(例如，光学和机械输入)，这对于生物-环境相互作用至关重要。因此开发多模可重构神经形态器件具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

文章概述

近日，由北京交通大学邓涛教授，清华大学田禾教授合作，提出了一种新型光电可重构神经形态晶体管(ORNT)以集成三种功能，以类似于视觉神经系统的方式感知、计算和存储光学信息。基于电极插入的石墨烯/VO₂纳米颗粒(NPs)异质结构和光伏效应，ORNT表现出从紫外到近红外(365~940 nm)的宽带自供电响应能力。利用光门控效应和光诱导相变，差异化电极设计使宽电极ORNT在偏置电压下表现出突触行为，而窄电极ORNT则表现出数据存储能力和多级光调制能力。此外，还开发了集成的光通信和内存处理系统，实现了从光学感知到计算和存储的全过程演示。总体而言，ORNT为优化芯片的硬件资源分配、增强系统的适应性和可扩展性提供了一种创新策略。

图文导读

图1. ORNT的结构和特征。a-b) 由金电极插入的石墨烯/VO₂NPs异质结构组成的宽电极ORNT (WE-ORNT)和窄电极ORNT (NE-ORNT)的结构。c-d)五个平行WE-ORNT和NE-ORNT的俯视SEM图像。e) 制备的VO2 NPs乙醇溶液的照片。f) 分散的VO₂纳米颗粒的高分辨率透射电子显微镜图像。g) VO₂ NP的XRD图谱，具有单斜(M)相的参考峰(JCPDS # 82-0661)。h) VO₂ NPs在25 °C(黑线)和90 °C(红线)下的吸收光谱。

图2. WE-ORNT的自供电光电开关特性。a) WE-ORNT能带结构和电荷转移趋势示意图。b) 在相同(5.57 mW cm^-2)照明功率密度下，WE-ORNT在紫外到近红外光谱上的光电流响应。c-d) 在不同功率密度、不同波长下的响应度和比探测率。e-g) WE-ORNT在365 nm、590 nm和940 nm处的时间分辨光响应。

图3. WE-ORNT中的光可调突触可塑性。a) 相应的生物突触传递过程。异质结界面处的电子转移过程模仿生物突触中的神经递质释放。b) WE-ORNT具有光子突触功能的机制。c) 成对365 nm光脉冲触发的突触后膜电流响应。d) PPD指数作为间隔时间的函数，由双指数函数拟合。e) 弱光触发的短期突触可塑性。f) SDDP介导的视觉记忆模拟。g) 由一系列光脉冲刺激诱导的WE-ORNT中的尖峰数依赖性可塑性。h) 由具有不同重复周期的一系列脉冲激发产生的IPSC。

图4. WE-ORNT的电学突触行为。a, e) PPF和PPD指数作为间隔时间的函数，被双指数函数所拟合。插图分别是成对脉冲刺激下的EPSC和IPSC。b, f) 在正、负栅极脉冲刺激下的尖峰电压依赖性塑性(SVDP)。c, g) 在正、负栅极电刺激下的尖峰持续时间依赖可塑性(SDDP)。d, h) 在正、负栅极电刺激下的尖峰数量依赖可塑性(SNDP)。

图5. NE-ORNT的非易失性光子存储特性。a) 窄电极优化器件的示意图。b) 储存机理和氧化前后石墨烯的能带对比图。c, d) 在相同照明条件下具有不同电极宽度的ORNT的Ids特性。e) 窄电极存储ORNT的保持和耐久性性能。f) 通过多级光调制实现NE-ORNT中的离散电导态。

图6. 基于ORNT的集成光通信和存储中处理系统。a) 系统的概念电路图。b) ORNT的“BJTU” ASCII码的输出光电流信号。c) 时序紫外光写入“B”、“J”、“T”和“U”的四个ASCII 代码。

结论

综上所述，展示了一种基于金电极插入石墨烯/VO₂异质结构的新型光电可重构单元，该单元通过模式切换模拟生物视觉系统的关键感知、计算和非易失性存储功能。ORNT具有从紫外到近红外(365至940 nm)的宽光谱检测能力。得益于VO2层的光吸收和光伏效应，在零偏压下，WE-ORNT实现了3.46 A W⁻¹的显著光响应率、22.3/34.2 ms的τ_rise/τ_decay快速光响应速度和2.50×10⁹Jones的高检测率。WE-ORNT中多样化的突触可塑性（PPF/PPD/SDDP/SNDP/SVDP）源于光门控主导效应与施加偏置电压下的场效应调制相结合。电极优化与VO₂的光诱导相变相结合，使NE-ORNTs在数据保留方面实现了高鲁棒性和多级光存储容量。集成系统将红外光通信与紫外线处理在内存中进行协同结合。该研究成果不仅满足了自适应硬件资源分配和扩展的关键需求，而且对光速感知-计算-存储融合模拟生物视觉系统具有参考意义。

期刊简介

Advanced Science 是Wiley旗下创刊于2014年的优质开源期刊，发表材料科学、物理化学、生物医药、工程等各领域的创新成果与前沿进展。期刊为致力于最大程度地向公众传播科研成果，所有文章均可免费获取。被Medline收录，PubMed可查。最新影响因子为17.521，中科院2021年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。