北京理工大学郑守君/周家东AS：范德华宽波段红外光突触器件助力方向识别

Wiley

2026-01-19

研究背景

类脑神经形态计算因其高效的信息处理能力被视为突破冯·诺依曼架构瓶颈的重要方向，而人工突触是实现其功能的核心。近年来，基于二维材料的光电突触广受关注，但多数依赖缺陷俘获机制，稳定性差、调控复杂。具备视觉识别能力的二维光电突触在物联网、生物电子和机器人等领域具有广阔前景，然而现有研究多局限于紫外和可见光范围。红外光电突触的关键在于延长光生载流子寿命，尽管黑磷和石墨烯具备红外响应潜力，但存在易氧化或载流子复合过快等问题。范德华异质结构（如CrOCl与石墨烯、TMDs的复合）通过强界面耦合和电荷转移，可有效调控光电性能，实现稳定的红外突触响应，为智能成像、自动驾驶和空间通信等领域提供新途径。

成果介绍

鉴于此，北京理工大学的郑守君副教授和周家东教授在Advanced Science在线发表“A Van Der Waals Broadband Infrared Optical Synapse Enabling Orientation Detection”的研究成果(Adv. Sci. (2025): e07530.)。研究者制备了一种少层石墨烯/CrOCl/少层石墨烯范德华异质结构来实现宽带红外光学突触。该结构在可见光到红外（520-2000 nm）的宽光谱范围内，具有可调的峰值时间依赖可塑性（STDP）和配对脉冲促进（PPF），有效地模拟了光学突触行为。开尔文探针力显微镜和理论计算表明，石墨烯/CrOCl界面的强界面耦合诱导了长波长电荷序的形成，并减少了光照下的隧穿势垒。与储备池计算相结合，光学突触能够有效地感知不同方向的红外信号，精度超过98%。该红外突触器件研究表明，范德华异质结构是设计高性能光学神经形态器件和探索红外智能成像潜在应用的一个有前途的平台。

图文导读

图1展示了通过红外光学突触探测的猎物捕获。图a展示了蝮蛇利用位于口部与眼睛之间的颊窝器官感知红外辐射，从而在黑暗中探测猎物的运动方向。图b展示了颊窝器官的详细结构，包括颊窝膜（具有感知红外辐射能力的薄膜状组织）和三叉神经分支（将颊窝器官检测到的红外辐射信号传递到大脑，使蝮蛇能够感知温血猎物的位置和运动方向）。图c展示了理想情况下使用储备池计算对红外辐射脉冲序列进行识别处理，以进行图像分类。

图1

图2展示了少层石墨烯/CrOCl/少层石墨烯光电器件结构及其在1550 nm激光刺激下的突触可塑性。图a展示了少层石墨烯/CrOCl/少层石墨烯光电器件的示意图，器件完全封装在h-BN中。图b展示了器件的光学图像，少层石墨烯和CrOCl分别用黑色和黄色虚线标出。插图显示了CrOCl的AFM形貌，厚度为16 nm。图c展示了器件的横截面TEM图像，比例尺为5 nm。图d展示了在c图中的横截面STEM-HAADF图像的放大图，显示了CrOCl的晶格结构，比例尺为1 nm。图e展示了由脉冲数量触发的SNDP，其中单个光学脉冲为2秒，功率为51 μW，V_g= 0V，V_b = 1V。图f展示了由不同频率（从0.5 Hz到5 Hz）光学脉冲触发的SRDP，功率为51 μW，V_g = 0V，V_b = 1V。图g展示了光脉冲持续时间依赖的光响应，功率为51 μW，V_g = 0V，V_b = 1V。图h展示了由光脉冲引发的记忆特性，用于模拟人类的学习-遗忘-再学习行为。图i展示了PPF比率（定义为ΔA₂/ΔA₁ × 100%）与脉冲间隔的关系，光功率为51 μW，脉冲持续时间为1秒，V_g = 0V，V_b = 1V。插图显示了一对光脉冲刺激下的PPF行为。

图2

图3展示了少层石墨烯/CrOCl/少层石墨烯器件的宽带突触响应。图a展示了该器件的光学突触行为通过四种不同波长（520、1064、1400和2000 nm）的光激发，V_g= 0V，V_b = 1V。图b展示了之前报道的光学突触器件和该器件的PPF总结。显示该器件在红外范围内具有显著的突触可塑性。

图3

图4展示了少层石墨烯/CrOCl/少层石墨烯器件宽带突触响应的机制。图a展示了石墨烯/CrOCl (S1) 和CrOCl (S2) 的吸收光谱。插图为样品的光学图像。图b和c展示了石墨烯/CrOCl 范德华异质结构在电荷转移前（b）和转移后（c）的计算能带结构。CrOCl的导带（绿色虚线）在层间电荷转移和电子掺杂后下降。图d展示了用于KPFM测试的石墨烯/CrOCl异质结示意图。图e展示了石墨烯/CrOCl异质结构在黑暗中（上图）和520 nm光照射下（下图）的表面电势图像。图f展示了从图e中得到的表面电势差。图g和h展示了器件在红外光照射前（g）和照射后（h）的能带对齐示意图。光生电子可以转移到CrOCl层，从而降低肖特基势垒。图i展示了石墨烯/CrOCl的示意图，显示了石墨烯和CrOCl之间的电荷转移。

图4

图5展示了基于少层石墨烯/CrOCl/少层石墨烯红外传感器储备池计算系统的不同方向图像识别。图a展示了用于检测的五张不同方向的图像。图b展示了从图a中每张图像的方向获得的二值化脉冲序列。脉冲宽度为0.5秒，脉冲间隔为1.5秒。图c展示了四个代表性输入（“00001”，“00011”，“01111”，“11111”）的I-t光响应特性。图d展示了该器件的实验和模拟结果的损失和识别精度，变化量为0.2。图e展示了由8张23 × 23像素的老鼠图像组成映射到八个不同的特征方向，以模拟蝮蛇的检测过程。图f展示了颜色混淆矩阵，显示该器件的分类结果与预测输出结果的对比。

图5

研究结论

总之，团队报道了一种在520至2000 nm宽带范围内表现出光学突触特性的少层石墨烯/CrOCl/少层石墨烯隧穿装置。该装置能高效地转换红外信号，并能模拟各种突触行为，包括EPSC、STDP和PPF。此外，该装置与储备池计算相结合，可以有效地检测红外信号，并对不同方向的红外图像进行分类。实验和仿真结果在60个epoch内实现了超过98%的识别率，为多功能智能感知系统的开发提供了有价值的见解。因此，这种范德华异质结构在推进光电突触器件和提高其性能方面具有重要的前景。为未来集成的红外视觉系统提供了明确的基础，标志着神经形态光学系统迈出了实际的一步，这些系统可以覆盖整个光谱（包括可见光和不可见光），并将计算移向感知开始的地方。

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。