基于二维碲烯的光电忆阻器时空动态特性及其在多模态储备池计算系统中的应用

这篇研究首次报道了通过溶液等离子体处理(SPP)制备的碲烯(Te)纳米片光电忆阻器，该器件能同时响应红外光(1022 nm)和电刺激，实现了多模态感知功能。研究揭示了SPP诱导缺陷的迁移和电荷捕获/释放双重机制，并构建了多模态储备池计算(MRC)系统，在视觉-触觉融合感知和心电图(ECG)模式识别中达到95.7%的准确率，为神经形态多模态感知系统(NMSS)提供了新思路。

　　

1 引言

生物神经系统通过整合视觉、触觉等多模态信息实现高效感知，这一机制启发研究者开发人工多模态感知系统(MSS)。传统方案需要复杂传感器阵列和电路，而基于忆阻器的神经形态电子器件展现出集成优势。二维碲烯(Te)因其优异的光电特性成为理想候选材料，但实现其光电协同调控仍具挑战。本研究创新性地采用溶液等离子体处理(SPP)技术，在Te纳米片中引入可控缺陷，首次构建了具有时空动态特性的光电忆阻器。

2.1 SPP处理的Te纳米片光电忆阻器

通过水热法合成Te纳米片后，采用SPP处理在表面生成宽度约11nm的缺陷富集区。高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)显示处理后的Te呈现边缘多晶/中心单晶的异质结构，X射线光电子能谱(XPS)证实了Te-O键的形成。器件采用Au/Te/Au平面结构，电极间距3μm，厚度约45nm的Te纳米片在1022nm红外光处吸收显著增强。

2.2 光电突触性能与机制

器件表现出典型的兴奋性突触后电流(EPSC)，光学和电刺激下的弛豫时间(τ)分别达64ms和118ms。SPP处理时间从0.5h增至5h时，Te/Te-O比值从21.78降至0.9，τ相应延长。机理研究表明：电脉冲驱动氧缺陷迁移形成导电细丝，光激发则通过缺陷能级实现电荷捕获/释放。这种双重机制使器件能同时处理光电信息。

2.3 时空信息关联

在配对脉冲易化(PPF)实验中，间隔50ms的双脉冲引发显著增强效应，符合生物突触的指数衰减规律。器件可区分16种不同的4位二进制模式，为储备池计算(RC)提供了丰富的动态状态。

3.4 多模态储备池计算系统

构建的MRC系统在数字识别任务中，单一触觉/视觉模式准确率仅75.6%/72.4%，而融合模式达97.8%。在ECG分类任务中，系统对左束支传导阻滞(L)、正常(N)等五种心电模式的识别准确率从单模态的86.3%(电)和81%(光)提升至多模态的95.7%。虚拟节点技术将2s心电信号转化为20个动态状态，通过人工神经网络(ANN)实现高效分类。

4 实验方法

Na₂TeO₃前驱体经水热法合成Te纳米片，SPP处理采用钨电极在去离子水中产生等离子体。器件通过光刻和热蒸发制备Au电极，PDMS转移法组装Te纳米片。电学测试在24°C、30%湿度下完成，使用Keithley 2636b源表和1022nm激光器进行光电联合表征。

该工作通过缺陷工程实现了二维Te材料的多模态神经形态功能，为发展高效人工感知系统提供了新材料平台和器件方案。