东莞材料所 | 感算一体范德华异质结实现图像预处理与动态识别

范德华材料及其异质结构具有强大的栅极可调性，可在可编程光电探测器中实现多级和极性可切换的光响应态，从而支持传感器内编码与计算。然而，目前的栅极可编程光电探测器通常依赖于陷阱介导机制，其中电荷捕获与释放会导致非线性的权重调制以及缓慢的瞬态响应。因此，在保持快速光响应的同时实现光响应权重的线性调制仍是一个挑战。

近日，中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室林生晃研究员与湘潭大学郝国林教授、中山大学沐浩然副教授等人提出了一种由栅极调制界面内建电场主导的Te/MoTe₂可重构光电探测器。在零漏极偏置下，短路光电流可从负值连续调节至正值，从而在V_gs从−44至−14 V的范围内实现线性双极性响应度调制，决定系数（R²）为0.99，并包含31个实验上可区分的双极性光响应态。在栅极编程的极性切换过程中，器件仍保持3 µs的快速瞬态响应。3×3器件阵列进一步展现出响应度调制和响应速度的像素间可重复性，可支持基于卷积核的图像处理与事件驱动运动识别。本工作提出了一种内建电场主导的栅极编程策略，可用于面向传感内计算的低功耗、快速且线性可重构光电器件。

图1. 陷阱介导光调控与栅电场调制界面的可重构光电响应示意图

为突破传统陷阱介导光调控在非线性与慢响应上的限制，图1首先对比了陷阱介导机制与栅电场调制界面机制，提出以Te/MoTe₂异质结界面内建电场为核心的可重构策略。该图进一步展示，栅压编程可实现正/负光电流切换、微秒级瞬态响应，并利用线性可编程权重完成图像处理与运动识别，为后续实验勾勒出总体技术路线。

图2. Te/MoTe₂异质结可重构光电探测器的结构与电学表征

基于上述设计，研究人员首先通过3×3阵列光学照片、Raman、AFM和TEM确认Te与MoTe₂形成了洁净、高质量的垂直范德华异质结，厚度分别约26和54 nm。随后电学测试表明，Te为高迁移率p型半导体（618 cm² V^-1 s^-1），MoTe₂呈双极性，异质结具有明显栅调制能力和约5×10²整流比，从而为可重构光响应提供了材料与器件基础。

图3. Te/MoTe₂栅控双向自供电光响应

在高质量异质结基础上，研究人员在638 nm光照和零漏偏压下考察其栅控光响应，发现短路光电流随栅压跨过约−27 V发生极性反转，并在−44至−14 V范围内实现R²=0.99的线性双极性响应度调制，包含31个实验可区分态。与此同时，3×3阵列统计验证了像素间可重复性，正、负光响应时间分别约5和3 µs，−3 dB带宽约82.1和85 kHz，说明器件在保持快速响应的同时可完成极性切换。

图4. Te/MoTe₂的自供电光电性能

在确认可重构光响应后，进一步评估其作为光电探测器的性能，发现器件暗电流低至8.63×10^-14 A，最大光电流达1.02 µA，0和1.5 V偏压下最大响应度分别为33.9和235.2 mA/W。更重要的是，器件同时具备109 dB线性动态范围、约1.01×10⁶光开关比、5.42×10¹⁰ Jones比探测率和6.42×10^-14 W Hz^-1/2 NEP，并在长期循环测试中保持约7%的波动，展现出高灵敏与稳定工作能力。

图5 Te/MoTe₂双极性可重构器件的响应机制

为阐明上述双极性光响应的来源，结合KPFM与光电流映射发现，Te表面电势较MoTe₂高约93.2 mV，接触后形成由n型MoTe₂指向p型Te的内建电场，驱动光生载流子分离并产生正短路光电流。施加−60 V栅压后，MoTe₂费米能级移动使异质结由p-n转为p-p，界面电场反向，暗态输出与光电流映射共同证实极性反转；变栅压KPFM进一步显示两者仍保留费米能级差（由27.2 mV降至11.25 mV），足以维持反向内建电场。低频噪声中未出现明显随机电报噪声，表明正、负光电流态均源于界面内建电场驱动的载流子分离，而非缓慢的陷阱充放电过程。

图6 Te/MoTe₂双极性可重构器件用于传感器内图像处理的模拟

得益于上述线性可编程权重与快速双极性响应，构建3×3卷积核并实验实现边缘检测、浮雕和锐化，结果与软件仿真一致。随后，利用正/负权重矩阵进行视频帧差处理，抑制静态背景并提取动态像素，在六类人体动作识别中少于3个训练周期即达100%准确率，80%高斯噪声下仍保持80.7%的识别精度，最终展示了该器件在传感内计算中的应用潜力。

本研究通过在Te/MoTe₂范德华异质结中引入栅极调控的界面内建电场，突破了传统陷阱介导机制在非线性与慢响应方面的限制，实现了R²=0.99的线性双极性响应度调制、约3 μs的快速极性切换以及31个可区分编程态。基于此，在3×3阵列上验证了像素级一致的可重构光响应，并成功演示了卷积核图像预处理与事件驱动运动识别。该工作为低功耗、快速、线性可重构的传感内计算光电器件提供了一种界面场工程策略。

本文中，张世伟和何建贤为论文共同第一作者；中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室林生晃研究员与湘潭大学郝国林教授、中山大学沐浩然为论文共同通讯作者。该工作得到了松山湖材料实验室开放研究基金（2023SLABFK08）、国家自然科学基金（62574140、12674098）、广东省基础与应用基础研究基金（2026A1515011650、2024A1515010350）等项目的重点支持。

文献链接：https://www.doi.org/10.1002/lpor.71930

来源：电子信息材料与器件研究部