光强度控制的光电导极性切换技术，用于神经形态学和逻辑电路应用

《Advanced Optical Materials》：Light Intensity-Controlled Photoconductance Polarity Switching for Neuromorphic and Logic Applications

光强与持续时间调控的几何不对称MoSe?光电导极性反转及其可重构逻辑门应用。通过调节光强度和脉冲时间，器件实现了从负光电导（NPC）到正光电导（PPC）的可逆切换，归因于MoSe?/Cr界面Schottky势垒的强度调制及光生载流子捕获/释放机制。该特性支持单光源可编程的“OR”和“AND”逻辑操作，展示了人工突触在光计算中的应用潜力。

　　2D过渡金属二硫属化物（TMD）半导体及其异质结是当前研究的热点，因其优异的光电特性而被广泛应用于高性能的光电器件中，如光电探测器、太阳能电池和逻辑门等。近年来，研究者进一步探索了正向光电导（Positive Photoconductance, PPC）与负向光电导（Negative Photoconductance, NPC）之间的可逆调控，这为高精度图像识别和双向可重构逻辑门等应用提供了新的可能性。然而，大多数实现这种可逆光电导切换的方法依赖于不同波长的光或外部电场调控，这通常需要多个光源或额外的电子元件，限制了其在实际系统中的集成度和简化性。本文提出了一种基于光强和光照时长的光电导极性切换效应，并在几何不对称的p型MoSe?器件中实现了这一现象。该效应源于光生电子在MoSe?/Cr界面的积累与捕获，从而不对称地调节肖特基势垒高度，并改变载流子的收集方向。此外，研究还观察到了一种类似突触的光电效应，这可能是由于光生载流子在MoSe?晶体内部的捕获与释放所导致。最后，研究人员成功展示了一种新型的可重构光学逻辑门，仅通过单一光源的光强和光照时长作为输入信号，即可实现“OR”和“AND”两种逻辑功能，其输出电流的极性决定了逻辑结果。

MoSe?作为一种典型的TMD材料，因其在可见光范围内的高吸收系数、低暗电流和快速载流子动力学而受到关注。这些特性使其成为构建高性能光电器件的理想材料。在传统光电器件中，光电导效应通常表现为正向光电导（PPC），即光照射后材料的电导率增加，这是由于光生载流子的产生。然而，负向光电导（NPC）效应，即光照射导致电导率下降的现象，在某些半导体材料中也有所报道，包括无机（如掺杂的硅）、有机和有机-无机杂化材料。NPC效应的出现为光电器件的多功能性提供了新的思路，尤其是在实现逻辑门和神经形态计算方面。

为了实现光导极性的可逆调控，研究者们通常采用外部电场或不同波长的光来控制肖特基势垒的高度，从而改变载流子的输运方向。然而，这种方法往往需要复杂的设备或额外的电路设计，增加了系统的复杂度和成本。本文提出的基于光强和光照时长的极性切换机制，为构建更简单、集成度更高的光电器件提供了新思路。研究发现，在几何不对称的p型MoSe?器件中，光强和光照时长可以作为输入参数，调控输出电流的极性，从而实现逻辑功能的切换。这种机制的优势在于其仅需单一光源，无需外部电场或额外的波长控制设备，显著降低了系统的复杂性和成本。

研究中使用的MoSe?器件采用机械剥离法制备，具有不对称的MoSe?/Cr接触区域。在低光强条件下，光生电子不足以显著降低肖特基势垒，导致载流子主要从较小的接触界面流出，形成负向光电流（NPC）。而在高光强条件下，光生电子的积累使得较大的接触界面的肖特基势垒显著降低，从而改变了载流子的流动方向，产生正向光电流（PPC）。这种光强依赖的极性切换效应不仅体现了材料内部载流子行为的可调控性，还展示了其在光电器件中的潜在应用价值。同时，研究还观察到一种持久光电导效应（Persistent Photoconductivity, PePC），即在光照结束后，材料的导电性仍能保持一段时间，这可能是由于光生载流子在材料内部的缺陷态中被捕获所致。

除了光强的影响，光照时长也被证明是调控光电导极性的重要因素。在低光强下，即使延长光照时间，也无法显著改变光电导极性。然而，在高光强下，光照时间的增加会进一步增强光生电子的积累，从而显著改变肖特基势垒的高度，实现从NPC到PPC的切换。这种由光强和光照时长共同调控的光电导极性切换机制，使得该器件能够模拟生物突触的行为，例如兴奋性突触后电流（EPSC）和配对脉冲增强（PPF）等。PPF指数用于衡量突触对连续光脉冲的响应增强程度，其值越高，说明突触对输入信号的适应性越强。在本文中，PPF指数在低光强下约为109%，而在高光强下则高达150%，表明该器件在模拟生物突触行为方面具有良好的性能。

这种基于光强和光照时长的光电导极性切换机制，不仅在逻辑门应用中展现出巨大潜力，还为构建神经形态计算系统提供了新的思路。传统逻辑门主要依赖于电子信号进行运算，而光电器件则能够通过光信号实现更高效的运算。特别是在需要高速并行处理的应用中，光电器件具有独特的优势。然而，传统光电器件的光电导方向通常是固定的，难以实现多种逻辑功能的切换。本文所提出的GA-MoSe?器件则通过改变光强和光照时长，实现了从“OR”到“AND”逻辑功能的可重构性，为构建多功能的光电器件奠定了基础。

在实验方面，研究人员使用机械剥离法制备了MoSe?晶体，并在SiO?/Si基底上构建了不对称的MoSe?/Cr接触结构。通过调整光强和光照时长，研究人员成功实现了光电导极性的切换，并进一步验证了该现象的可逆性。此外，研究还发现，该器件在不同光照条件下表现出不同的光电导行为，这可能与材料内部的缺陷态分布和载流子的复合动力学有关。通过温度依赖的电流-电压（I-V）特性分析，研究人员排除了光热效应作为主导机制的可能性，进一步支持了光生载流子捕获与释放的主导作用。

该研究不仅为光电器件的多功能性提供了新的理论依据，还展示了其在实际应用中的潜力。通过利用光强和光照时长作为输入参数，研究人员成功构建了一种基于单一光源的可重构逻辑门，其输出电流的极性决定了逻辑结果。这种设计不仅简化了光电器件的结构，还提高了其在复杂光电器件系统中的适用性。此外，该器件的光电导极性切换机制与生物突触的响应特性高度相似，为构建仿生光电器件提供了重要的参考。

在未来的应用中，这种基于光强和光照时长的光电导极性切换机制可能被广泛应用于人工视觉系统、神经形态计算和光学逻辑电路等领域。其优势在于无需复杂的外部控制电路，能够通过单一光源实现多种功能的切换，从而提高系统的集成度和效率。同时，该器件表现出的持久光电导效应，使其在模拟神经元的长期记忆特性方面具有潜在的应用价值。通过调控光强和光照时长，可以实现对突触行为的精确控制，从而在人工神经网络中模拟生物神经元的响应特性。

此外，该研究还表明，通过调整光强和光照时长，可以实现对逻辑门功能的动态切换。这种可重构性使得单个器件能够执行多种逻辑操作，大大提高了光电器件的灵活性和多功能性。在实际应用中，这种特性可以用于构建更加复杂的光电器件系统，例如基于MoSe?的光电器件阵列，从而实现更高效的数据处理和信息存储功能。

综上所述，本文的研究为基于TMD材料的光电器件设计提供了新的思路。通过光强和光照时长的调控，研究人员实现了光电导极性的可逆切换，并展示了其在逻辑门和神经形态计算中的应用潜力。这种机制不仅简化了光电器件的结构，还提高了其在复杂系统中的适用性。未来，随着对TMD材料特性的进一步研究和器件制备技术的提升，这种基于光强和光照时长的光电导极性切换机制有望在光电子领域发挥更大的作用，推动新型光电器件的发展。