缺陷诱导的高能效宽带光电突触及其在多层二硫化钼中向快速光电探测的可逆性

《Surfaces and Interfaces》：Defect-Induced Highly Energy-Efficient Broadband Optoelectronic Synapse and Its Reversibility Toward Fast Photodetection in Multilayer MoS 2

　　

摘要

二维（2D）材料因其原子级厚度、强光 - 物质相互作用以及优异的静电控制能力，在下一代低功耗电子和光电子领域极具前景。然而，其长期环境稳定性仍然是一个主要挑战，因为暴露在环境条件下会逐渐降低器件性能。在本工作中，我们证明这种环境退化不一定是有害的，而是可以重新引导至不同的、有用的器件功能。制备了一个简单的两端 MoS₂ 光电探测器，并在长期环境老化前后进行了系统研究。原始器件表现出快速的光响应，适用于光电探测。在约 60% 相对湿度和 25°C 的环境条件下老化约六个月后，由于自然诱导缺陷态的形成，器件响应变得显著缓慢。尽管这一老化过程降低了快速光电探测器的性能，但它通过缺陷介导的光门控效应将响应度增强了近 43 倍。更重要的是，老化诱导的缺陷将 MoS₂ 器件转变为高效的光电突触器件。等离子体处理样品中的类似功能证实了缺陷在观察到的突触行为中的作用。老化器件成功模拟了关键的生物突触功能，包括短期记忆、长期记忆、学习和遗忘行为、巴甫洛夫经典条件反射理论、基本光逻辑运算以及莫尔斯电码解码。该器件在每个突触事件中消耗的电能极低，处于阿焦耳量级，突显了其在节能神经形态光电子领域的潜力。此外，观察到这种缺陷诱导的突触状态是可逆的。简单的空气退火处理通过氧取代钝化硫空位，使器件恢复至原始的光电探测器模式。X 射线光电子能谱、拉曼光谱和密度泛函理论分析证实了氧介导的硫空位钝化以及缺陷诱导陷阱态的移除。这项工作展示了 MoS₂ 器件中的可逆功能转换，其中不可避免的环境老化可用于光电突触，随后通过简单的退火过程恢复至光电探测功能。

引言

二维（2D）材料，特别是过渡金属硫族化物（TMDs），其卓越的电气、光学和光电子特性在过去二十年中引起了广泛关注 [[1], [2], [3]]。由于其原子级薄的结构，它们已成为下一代节能计算机和光子技术的重要组成部分 [4,5]。其可配置能带隙、强光 - 物质相互作用以及与灵活和可扩展器件平台的兼容性，使其适用于高性能光电探测器 [[6], [7], [8], [9]]、忆阻器 [10,11]、神经形态器件 [12,13] 以及光电突触 [[14], [15], [16]]。然而，基于 2D TMDs 的光电器件性能受到各种缺陷存在和性质的显著影响 [17,18]。不可避免的本征和非本征缺陷，包括空位、替代杂质和晶界，在 2D TMDs 中普遍存在 [19]。其中，硫族元素空位由于形成能低而最为普遍 [20,21]。这些空位通过在能隙内引入局域态来显著改变电子和光学性质 [22]。在许多情况下，缺陷通过增强非辐射复合或散射来降低载流子传输和光学性能 [23,24]。然而，缺陷并不总是有害的。受控引入缺陷已成为调节 TMDs 光吸收、载流子寿命、掺杂类型和激子特性的有力方法 [18,25]。已开发出各种策略来调节 2D TMDs 中的缺陷密度，包括离子束辐照 [26]、化学官能化 [27] 和等离子体处理 [25]。值得注意的是，长期暴露在环境条件下，即环境老化，也会在 TMDs 中诱导缺陷 [24,28,29]。例如，Gao 等人报道了单层 MoS₂ 和 WS₂ 在长期暴露于空气中后产生显著的硫空位，伴随着光致发光（PL）强度的显著降低 [24]。他们将这种退化解释为老化过程中在易缺陷位置开始的氧化过程。相反，Ardekani 等人发现选择性激光加热后老化的 MoS₂ PL 增强，他们将其归因于氧原子钝化硫空位和消除禁带能量带内的间隙态 [29]。这些矛盾的发现意味着，根据缺陷背景和处理情况的不同，氧化既可以改善也可以恶化光学特性。虽然这些研究表明单层 TMDs 在环境老化过程中产生了显著的硫空位，但长期环境暴露对多层 MoS₂ 的影响主要尚未探索。

缺陷也对 2D 材料的光响应动力学有深远影响 [30]。在无缺陷半导体中，光激发载流子生成并快速复合，产生尖锐和快速的光电流瞬态，适用于高速光电探测 [6,31]。在存在缺陷诱导的陷阱态的情况下，载流子经历陷阱辅助捕获和延迟释放，延长了它们的寿命 [32,33]。这一过程导致响应速度变慢和持续光导电性（PPC）。这种陷阱介导的动力学形成了光电突触的基础，其中光学刺激下的类似记忆的光电流响应模拟了突触可塑性 [34]。这些器件在神经形态视觉应用中得到了积极研究，其中光脉冲作为突触前信号，产生的电导变化模拟生物学习和记忆。单层 MoS₂ 因其高表面反应活性和在生长或后处理过程中易于形成缺陷而被广泛用于此类应用 [35,36]。然而，在多层 MoS₂ 中，本征缺陷密度远低于单层 MoS₂ [37,38]。因此，多层 MoS₂ 器件通常表现出可忽略不计的 PPC，而是优化用于具有高通量和低噪声的超快光电探测 [39,40]。这种区别突显了光电器件设计中的一个基本权衡。高速光电探测器需要无缺陷的有源材料以最小化陷阱并最大化时间分辨率，而光电突触依赖于受控的缺陷态以引入记忆效应 [14]。因此，在单个器件中实现这两种功能需要对缺陷景观进行精确和可逆的调节。此外，2D MoS₂ 的长期环境稳定性仍然是其实际应用的主要挑战。

在本工作中，我们证明多层 MoS₂ 的自然和不可避免的老化，不仅仅是有害的，而且可以被利用来实现新的有用器件功能。制备的多层 MoS₂ 器件表现出快速的光响应，与材料的低本征缺陷密度一致 [37,38]。在长期暴露于环境条件（～6 个月，～60% 相对湿度，～25°C）后，同一器件显示出显著缓慢的光响应动力学以及明显的持续光导电性（PPC）。这一转变伴随着由于缺陷诱导的光门控效应 [32] 导致的响应度 43 倍增强。自然产生的缺陷有效地将 MoS₂ 光电探测器转变为高效的光电突触器件。重要的是，这种转变是可逆的：简单的空气退火处理钝化了缺陷并使器件恢复至其原始的快速光电探测器状态。

章节摘要

MoS₂ 生长、处理和器件制备

二维 MoS₂ 薄膜是使用化学气相沉积（CVD）在两区炉管中生长的 [41]。硫（S）和三氧化钼（MoO₃）粉末用作前驱体，并加入氯化钠（NaCl）作为生长促进剂以支持大面积多层 MoS₂ 的形成。高纯度氩气（Ar）作为载气将蒸发的前驱体传输到基底。MoO₃ 粉末和预清洁的 SiO₂/Si 基底放置在炉子的高温区，

材料表征

对生长的多层 MoS₂ 薄膜使用各种光谱和显微技术进行了全面表征，以评估其形态均匀性、厚度和结晶性。MoS₂ 薄膜在 SiO₂/Si 基底上的光学显微镜图像如图 S2 所示。为了提高可见性，光学图像是从部分 SiO₂/Si 基底未覆盖薄膜的区域拍摄的。这有助于清晰地区分 MoS₂ 薄膜和裸基底，并允许

结论

总之，我们证明在环境老化过程中在 2D MoS₂ 中产生自然和不可避免的缺陷，可以有效利用来将快速光电探测器转变为光电突触。该器件表现出关键的突触特性，包括短期记忆（STM）、长期记忆（LTM）和类似人类的学习和遗忘行为，同时以阿焦耳量级的极低能耗运行。此外，该器件成功展示了

作者贡献

Subhankar Debnath：概念化，数据管理，形式分析，调查，方法，软件，写作 - 初稿，编辑；Shantanu Dhara：数据管理，形式分析，调查，方法，写作 - 初稿；P. K. Giri：概念化，形式分析，资金获取，资源，监督，验证，写作 - 审查与编辑。

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CRediT 作者贡献声明

Subhankar Debnath: 写作 - 初稿，方法，调查，形式分析，数据管理，概念化。Shantanu Dhara: 写作 - 初稿，方法，调查，形式分析，数据管理。P.K. Giri: 写作 - 审查与编辑，可视化，验证，监督，资源，项目管理，资金获取，形式分析，概念化。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

作者感谢 IIT Guwahati 的中央仪器设施（CIF）和纳米技术中心提供实验设施。作者感谢 ANRF（ANRF/ARG/2025/003900/PS）对本工作部分开展的资金支持。

Subhankar Debnath|Shantanu Dhara|P.K. Giri