基于二维硫族化物SnS2的光电突触器件：面向神经形态视觉传感器的仿生设计与多模态计算研究

这篇研究通过实验与理论计算揭示了二维SnS2基光电突触器件在神经形态视觉系统中的突破性应用。作者创新性地将剥离法制备的SnS2忆阻器与混合人工智能框架结合，实现了98.51%的MNIST数据集识别准确率。该器件在0.1 V超低电压下工作（单事件能耗0.345 nJ），能模拟人类视网膜的波长选择性响应（455-940 nm），并完成STP-LTP转换、PPF指数调控（180%）等神经突触功能，为开发兼具感知-存储-处理能力的仿生视觉芯片提供了新范式。

　　

摘要

二维硫族化物SnS₂因其独特的光电协同调控特性，成为构建人工视觉系统的理想材料。密度泛函理论（DFT）计算证实其2.47 eV的直接带隙特性，实验制备的SnS₂忆阻器展现出类视网膜的波长选择功能：对455 nm蓝光响应最强（光子能量2.73 eV>E_g），530 nm绿光次之（2.34 eV≈E_g），656 nm红光几乎无响应（1.89 eV<>_g）。通过Cr/Au欧姆接触的器件在0.5 V读取电压下，成功模拟了生物视觉皮层的记忆与逻辑功能。

1 引言

人脑视觉系统通过约100万亿突触处理80%的感官信息。传统CMOS架构面临存储墙挑战，而基于二维vdW材料的忆阻器可通过电导变化模拟突触权重更新。SnS₂相较于MXenes和钙钛矿材料具有更优的环境稳定性，其原子级平整表面利于构建高均匀性器件。本研究突破性地将光学传感与神经形态计算集成于单一器件，实现"感算存"一体化。

2 实验与理论方法

2.1 DFT计算

采用FP-LAPW方法求解Kohn-Sham方程，计算显示SnS₂在Γ点具有直接带隙。介电函数分析揭示其在可见光区（～₂(ω)阈值1.27 eV）的强光子吸收能力，静态折射率n(0)=2.23， plasmon频率出现在紫外区。

2.2 器件制备

通过机械剥离法获得19.77 nm厚SnS₂纳米片（AFM验证），Ar等离子体清洗后采用电子束光刻制备Cr/Au（20/30 nm）电极。200°C退火处理使接触电阻降低3个数量级，拉曼光谱显示特征A_1g峰位于310 cm^-1。

3 结果与讨论

3.1 光电特性

PL光谱在512.65 nm处的强发射峰证实其2.42 eV光致发光带隙。器件展示出波长依赖的EPSC响应：455 nm光照下电流增益达4.40×10^-7 A，双指数衰减模型揭示浅陷阱（τ₁=1.745 s）和深陷阱（τ₂=24.884 s）的协同作用。

3.3 光刺激突触

PPF指数随脉冲间隔（Δ t）呈双指数衰减（C₁=180, τ₁=50 ms）。通过调节光脉冲参数可实现STP-LTP转换：

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  频率依赖：4 Hz刺激下EPSC幅度比0.2 Hz增加400%

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  脉冲数依赖：50个脉冲可使记忆保持时间延长至100 s

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  情绪模拟：455 nm蓝光对应"积极情绪"学习效率提升30%

3.4 逻辑运算

通过调制365 nm（UV）和455 nm（可见光）实现AND/OR门：

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  AND操作：需同时满足光强1000 mA+电压0.5 V（阈值150 nA）

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  OR操作：UV光照下任意输入激活输出

4 结论

该SnS₂突触器件通过实验-计算联合策略，首次实现：

1. 1.

   多波长光响应与Hebbian学习规则的融合

2. 2.

   混合AI框架下98.28%的MNIST识别准确率

3. 3.

   0.345 nJ/事件的超低能耗

   为开发新一代神经形态视觉芯片提供了材料-器件-算法协同设计范例。