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2025

发光学报·特邀综述 | 氧化物全光控突触研究进展

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导读

类脑神经形态计算有望克服传统冯·诺依曼计算架构瓶颈，实现低功耗、高效信息处理，进而推动人工智能技术的发展。人工突触是构建神经形态系统的关键硬件，其中光电突触结合了电子学和光子学优势，具有光学感知、信息计算和存储等多种功能。新兴的全光控光电突触，其电导非易失增大和降低均通过光信号实现，可有效避免电信号对器件微结构的破坏，改善工作稳定性，并且赋予突触器件新的功能，具有重要研究价值。近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所诸葛飞研究员所带领的课题组，在权威期刊《发光学报》上发表了一篇题为《氧化物全光控突触研究进展》的特邀报告论文。该论文由硕士研究生单海担任第一作者，全面而系统地梳理了具有长程可塑性的氧化物全光控突触器件研究进展，详细讨论了基于光波长和光功率调控的全光控突触的器件结构、材料选择和光电响应机制，最后分析了当前全光控突触发展面临的挑战。

引言

突触器件电导一般利用电压或电流进行可逆调控，易诱发器件中离子迁移和焦耳热，因此面临功耗高、稳定差等问题。如果利用光替代电来调控突触电导，则可避免器件微结构变化，消除焦耳热，从而实现低功耗、高稳定性的全光控突触。此外，全光控突触器件直接感光，有助实现感存算一体功能，可用于开发新一代人工视觉芯片。对于全光控突触而言，感光功能层材料的选择至关重要。目前多种功能材料被报道具有优异的光响应能力，包括氧化物（如IGZO、ZnO、CeO_x、TaO_x、TiO₂）、低维纳米材料（如石墨烯、硒化物）、有机材料、钙钛矿材料等。其中氧化物材料具有诸多应用优势。首先，氧化物可通过多种方法制备，如磁控溅射、化学气相沉积、原子层沉积等，这为全光控突触的制备提供了便利；其次，氧化物与现有CMOS工艺兼容，有助于实现高集成度突触阵列及芯片，这对于构建大规模神经形态计算系统至关重要；最后，氧化物具有良好的化学稳定性和热稳定性，有利于提高器件的长期稳定性。基于此，研究者们尝试使用氧化物材料构筑全光控突触器件，以实现具有优异光响应能力和高稳定性能的全光控突触，并探索其在神经形态计算、高密度存储、光学传感器等领域的应用。

波长调控型氧化物全光控突触

（1）氧化物全光控忆阻器

在氧化物全光控忆阻器中，通过改变照射光波长来调控器件电导较为常见。中国科学院宁波材料所研究团队基于缺氧InGaZnO （O_D-IGZO）/富氧InGaZnO （O_R-IGZO）同质结，在国际上首次实现全光控忆阻器，并基于InGaZnO全光控忆阻器搭建了集成图像感知、加密计算和后处理功能的感内加密架构。东北师范大学基于Ag-TiO₂纳米复合材料开发了一种等离子体全光控忆阻器。复旦大学报道了NiO/TiO₂全光控自整流忆阻器阵列，在光刺激下具有多级存储功能。

图1：波长调控型氧化物全光控逆阻器（a）双层IGZO忆阻器全光控模式示意图;（b） IGZO忆阻器在420 nm蓝光和800 nm近红外光脉冲下电导可逆调控;（c） IGZO忆阻器中的可原位加密神经形态视觉传感器;（d） Ag-TiO₂（e）银-钛₂（f） NiO/TiO₂（g）镍/钛₂忆阻器电导全光调控

ZnO是一种重要的光电半导体材料，具有沉积温度低、热导率较高等优点，广泛应用于光电器件、传感器、太阳能电池等领域。中国科学院宁波材料所制备了基于纯氩气磁控溅射生长的单层ZnO全光控忆阻器。台湾国立阳明交通大学制备了基于 ZnO/Zn₂鼻铈₄异质结的全光控忆阻器，同时报道了一种ITO/Ga₂O₃/ZnO/ITO结构的全光控忆阻器。中南大学研发了一种基于p⁺-Si/ZnO异质结的全光控忆阻器。东北师范大学报道了ZnO/MoO_x全光控忆阻器，可在350 nm和570 nm光照下分别实现SET和RESET过程。吉林大学设计了叶绿素/ZnO异质结忆阻器，在430 nm和730 nm光刺激下分别实现电导增大和降低。

图2：波长调控型ZnO基全光控忆阻器（a）单层 ZnO（b） ZnO/Zn₂鼻铈₄（c）忆阻器结构示意图;（c） Ga₂O₃/ZnO忆阻器结构示意图;（d） p⁺-Si/ZnO忆阻器结构示意图;（e） ZnO/MoO_x（f）叶绿素/ZnO异质结忆阻器结构示意图

（2）氧化物全光控晶体管

除了氧化物忆阻器外，也有基于氧化物晶体管构建的全光控突触。台湾国立成功大学报道了IGZO/ZrO_x全光控晶体管。器件在可见光和近红外光照射下，分别实现了光增强和光抑制行为。天津大学基于石墨烯/TiO₂异质结实现了全光控晶体管，器件在635 nm红光刺激下，电导增大;在365 nm紫外光照射下，电导降低。中南大学利用WSe₂/WO_x异质结制备了光电晶体管突触，在红光与紫外光刺激下，表现出全光控行为。

图3：波长调控型ZnO基全光控逆阻器（a）单层 ZnO 忆阻器全光调控性能;（b） ZnO/Zn2SnO4忆阻器示意图;（c） Ga2O3/ZnO忆阻器结构示意图;（d） p+-Si/ZnO忆阻器结构示意图;（e） ZnO/MoOx忆阻器结构示意图;（f）叶绿素/ZnO异质结忆阻器结构示意图;（g） WSe2/WOx晶体管结构示意图;（h） 648 nm红光下电流增大;（i） 375 nm紫外光下电流下降

（3）其它两端或三端结构全光控器件

除了忆阻器和晶体管，也有一些与忆阻器或晶体管结构类似的两端或三端器件表现出电导全光调控特性，其中以两端结构为主。深圳大学制备了基于MAPbBr₃/ZnO异质结的人工突触，可在 365 nm紫外光和520 nm绿光照射下分别实现器件电导长时程增大和减小。浙江大学开发了一种ZnAlSnO/SnO异质结型全光控突触，用于精确模拟兴奋性和抑制性突触行为。该器件可在635 nm和532 nm光照射下分别实现电导增强和抑制。此外，浙江大学基于IGZO/SnO/SnS结构实现了可重构全光控突触。该器件集传感、存储和处理功能于一体，可在紫外光和可见光刺激下，表现出突触兴奋和抑制特性。

图4：波长调控型氧化物异质结全光控突触;（a） MAPbBr₃/ZnO器件结构示意图;（b） 365 nm紫外光下电流增大;（c） 520 nm绿光下电流下降;（d） ZnAlSnO/SnO器件结构示意图;（e） 635 nm光照下电流升高;（f） 532 nm光照下电流下降;（g） IGZO/SnO/SnS器件结构示意图;（h）电导全光调控行为

功率调控型氧化物全光控突触

法国斯特拉斯堡大学开发了铁电材料/石墨烯异质结晶体管，其中铁电层为Pb[（Mg_1/3Nb_2/3）_0.70Ti_0.30]O₃晶体。器件可在365 nm紫外光脉冲下实现器件电导可逆调控。器件的全光调控性能来源于氧化物铁电层的极化和去极化。在较低光强下，铁电层内产生自由电荷导致去极化；在较高光强下，过量的光生载流子与之前存在的屏蔽电荷重新结合，导致极化恢复。

图5：功率调控型氧化物铁电材料/石墨烯全光控晶体管 (a) 器件结构示意图；(b) 不同光功率下的光响应性能；(c) 不同光功率下电导可逆调控

总结与展望

人工突触是构建神经形态系统的关键硬件，其中光电突触结合了电子学和光子学优势，具有光学感知、信息计算和存储等多种功能。新兴的全光控光电突触，其电导非易失增大和降低均通过光信号实现，可有效避免电信号对器件微结构的破坏，改善工作稳定性，赋予突触器件新的功能，对于构建高性能神经形态系统和推动人工智能技术发展具有重要意义。尽管目前氧化物全光控突触的研究取得了一些进展，但该领域的发展仍处于初期阶段,在光敏材料、调控机理、器件性能、光信号施加、功能应用等方面面临诸多挑战。相信随着材料体系、器件制备、电路架构和人工智能算法的协同深入研究，预计在不久的未来，全光控突触有望应用于类脑视觉芯片等新一代神经形态计算系统，从而推进人类社会的信息化、智能化发展。

论文信息

单海,应宏微,程培红,胡令祥,王敬蕊,叶志镇,诸葛飞.氧化物全光控突触研究进展[J].发光学报,2025,46(02):245-259.DOI： 10.37188/CJL.20240251

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20240251/

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