一步法制备TiO2 -Nb:SrTiO3 异质结光电突触器件实现多模态感知-存储-处理一体化

为解决物联网时代多模态感知系统存在的架构复杂、能效低下等问题，广东工业大学团队通过一步磁控溅射技术开发了TiO2 -Nb:SrTiO3 异质结光电突触器件。该器件在电刺激下呈现超10000秒的多级阻态稳定性，并通过光调制实现7种非易失性电导态。研究构建了光电协同调控的传感-忆阻融合架构，成功应用于智能交通（动态/速度/方向监测）和三分类情绪识别，为神经形态感知系统提供了CMOS兼容的低功耗解决方案。

　　

在物联网与大数据爆发的时代，智能感知系统正面临两大核心挑战：传统模块化设计导致的"感知-存储-处理"割裂，以及单模态感知在复杂场景中的局限性。以自动驾驶为例，现有系统需要分立式传感器、存储器和处理器协同工作，不仅造成冯·诺依曼架构下的能效瓶颈，更难以实现驾驶员情绪状态与车辆运行数据的实时融合分析。这种硬件层面的功能分离，已成为制约边缘智能发展的关键障碍。

广东工业大学的研究团队独辟蹊径，从人类感官系统的神经可塑性中获得启发，创新性地将目光投向光电协同调控的人工突触器件。通过一步磁控溅射技术在Nb掺杂SrTiO₃
基底上沉积TiO₂
薄膜，构建出具有异质结结构的微型化器件。这种设计巧妙地将光电传感、非易失性存储和神经形态计算三大功能集成于单一器件，相关成果发表在材料科学顶级期刊《Materials Science and Engineering: R: Reports》上。

研究采用磁控溅射薄膜沉积、光电脉冲协同调制、压阻传感信号转换等关键技术，通过构建器件阵列与神经网络，实现了多物理量并行处理。在电学特性测试中，器件展现出10,000秒以上的阻态保持能力；光学调控实验则证实其具有7种可区分的电导状态。这种独特的双模响应特性，使其能同时处理来自压阻传感器的音频信号（转换为电压脉冲）和视觉信号（光脉冲）。

【Synapses conductance modulation based on Conclusion】
电信号调制实验揭示，器件在0.4V至-0.8V的扫描电压下呈现典型的忆阻行为，通过调节脉冲幅值可实现256级电导状态。光学测试表明，405nm激光脉冲可诱导电导值阶梯式上升，而532nm激光则引发下降响应，这种波长选择性调制模拟了生物突触的长时程增强/抑制效应。

【Device fabrication】
器件的核心创新在于其单步制备工艺：在掩模辅助下，通过精确控制溅射参数，使20nm厚TiO₂
层与Nb:SrTiO₃
基底形成原子级锐利界面，XRD分析显示TiO₂
呈现锐钛矿相择优取向生长，这种结晶质量保障了载流子的高效输运。

研究最终构建了面向智能交通和情感识别的两大应用验证平台。在车辆监控场景中，系统通过分析光脉冲序列的时空特征，实现了对运动车辆三维参数的同步解析；在情绪分类任务中，融合面部微表情（视觉）与语音特征（听觉）的跨模态信息，分类准确率达89.7%，显著优于单模态识别方案。

这项研究通过器件-架构协同创新，突破了传统感知系统的范式限制：在材料层面，TiO₂
-Nb:SrTiO₃
异质结的界面工程实现了光电转换与存储的一体化；在系统层面，仿生的传感-处理融合架构将能耗降低至传统方案的1/8。正如通讯作者Qi-Jun Sun教授指出，该技术为开发新一代神经形态芯片提供了可扩展的工艺路线，特别是在需要实时多模态感知的智能穿戴、人机交互等领域展现出巨大潜力。未来通过引入更多维度的物理量感知（如压力、温度），有望构建出真正类脑的全息感知系统。