二维过渡金属二硫化物在高效双端光电突触器件中的前沿应用与神经形态计算革新

本文聚焦二维过渡金属二硫化物（2D TMDCs）在光电突触器件中的创新应用，通过调控材料缺陷与异质结设计，实现了多波长感知、超低功耗（低至12.2 fJ）及类脑神经形态功能（如LTP/STP）。研究为解决传统AI硬件能效瓶颈和视觉仿生系统集成难题提供了新方案，推动可穿戴边缘智能与人工视网膜技术的发展。

　　

在人工智能硬件领域，模仿生物神经系统的神经形态计算（neuromorphic computing）被视为突破传统冯·诺依曼架构能效瓶颈的关键。然而，现有硅基器件难以同时实现生物突触的并行处理、超低功耗（<1 aJ）和光-电信号融合功能。二维过渡金属二硫化物（2D TMDCs）因其原子级厚度、可调带隙（band gap）和强光-物质相互作用，成为解决这一难题的理想材料。英国南安普顿大学的Roshni Satheesh Babu与Dimitra G. Georgiadou团队在《Device》发表研究，系统阐述了WS₂、MoS₂等TMDCs在双端光电突触器件中的突破性应用。

研究采用化学气相沉积（CVD）、机械剥离等技术制备单层及异质结器件，结合光电测试和神经网络模拟，验证了材料缺陷工程对突触可塑性的调控机制。通过设计ReS₂/WS₂等范德华（vdW）异质结，实现了106的高开关比和97.05%的立体视觉识别准确率。

TMDC材料特性
单层WS₂直接带隙（2.1 eV）和MoS₂的界面陷阱态（trap states）使器件具备波长敏感的光电响应。Re基材料（如ReS₂）的层数无关直接带隙特性简化了制备工艺。

光电突触机制
浅陷阱（~10 meV）提升载流子迁移率，而深陷阱（0.1-0.4 eV）通过持久光电导（PPC）效应实现长程记忆。MoS₂/CeO₂异质结通过氧空位迁移模拟了视觉伤害感受器（nociceptor）的波长依赖阈值行为。

应用突破

1. 视网膜形态器件：WS₂阵列实现88.3%手写数字识别率，光脉冲诱导的配对脉冲易化（PPF）达170%；
2. 立体视觉系统：ReS₂器件以12.2 fJ/脉冲功耗完成3D物体识别；
3. 多模态感知：MoS₂/WSe₂异质结同步响应光热刺激，功耗低至0.3 pJ。

结论指出，通过优化缺陷控制（如MoS_2-xO_x界面工程）和晶圆级集成（如IMEC的300 mm WS₂），2D TMDCs有望将神经形态芯片能效推向生物水平（aJ级）。该研究为开发兼具传感-存储-计算功能的一体化仿生系统提供了材料基础，特别是在治疗视觉损伤和抗2D欺骗的安防领域具有重大应用前景。