【国内论文】华南理工大学顶刊发表：具有集成光电突触功能的ITZO/Ga₂O₃异质结忆阻器在类脑视觉应用中的研究

        由华南理工大学的研究团队在学术期刊 Chemical Engineering Journal 发布了一篇名为 ITZO/Ga₂O₃ heterostructure memristor with integrated optoelectronic synaptic function for neuromorphic vision applications（具有集成光电突触功能的 ITZO/Ga₂O₃ 异质结忆阻器在类脑视觉应用中的研究）的文章。

        Chemical Engineering Journal 是工程技术与化学化工领域最有影响力顶级刊物之一，其主要目的是及时快速地报道工程领域化学反应工程、环境化学工程及材料合成应用等方面重要的科学研究成果和创新技术。作为国际顶级刊物在中国知晓度极高，在2025年中科院分区中为材料科学大类1区（Top期刊），五年影响因子为13.5。

        本工作得到以下项目资助：中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0100400）、国家自然科学基金（项目编号：62311540155）、广东省自然科学基金（项目编号：2024A1515011719）以及国家自然科学基金（项目编号：61871195）。

        近年来，受生物视觉系统启发的类脑视觉技术取得了显著进展，旨在将感知、记忆和计算功能集成到紧凑且高能效的器件中。忆阻器因其能够模拟突触可塑性、兼容CMOS工艺、切换速度快而成为有前景的候选器件，但传统电刺激器件在涉及光电协同的视觉任务中存在局限。光电忆阻器通过将光感知与存储和计算结合，为人工视觉系统提供了实现颜色识别、学习和运动感知的途径。尽管在多波段感应和突触器件设计方面已有进展，但在器件性能、功能集成和可扩展性方面仍面临挑战。这促使研究者开发能够同时实现突触调控、多色感知和类脑计算的单器件光电忆阻器，为构建仿生一体化视觉系统奠定了基础。

        类脑视觉系统将感知、记忆与处理功能融合，通过光电子忆阻器作为核心元件实现对视觉信息的类脑感知，为紧凑型智能视觉传感器提供了潜在路径。然而，当前光电子忆阻器在宽光谱响应、光电协同调控及多功能集成方面仍存在显著挑战，这些局限严重制约了其在复杂视觉任务中的实用化，并阻碍了大规模系统级集成。本文提出了一种由Ag/铟锡锌氧化物（ITZO）/Ga₂O₃/铟锡氧化物（ITO）异质结构构建的光电子忆阻器。得益于其显著的光电导性及高效界面调控能力，该器件展示了可靠的突触可塑性，并实现了光驱动的异突触调控。利用光电可调导电状态作为突触权重，该忆阻器在卷积神经网络上对MNIST数据集实现了97.13 %的高识别准确率。此外，3 × 5器件阵列在多色光照（275、365、470 及 550 nm）下展现了集成的色彩感知与记忆功能，凸显其在未来类脑视觉应用中的潜力。该器件的发展为实现感知、认知与记忆无缝融合的智能视觉系统奠定了坚实的物理基础，并为可扩展的类脑计算架构开辟了新路径。

        ● 光电忆阻器的突触可塑性可通过多种光电信号进行调控。

        ● 利用光电调制导通差异作为神经网络权重，实现手写数字识别。

        ● 通过双波长光学调制实现巴甫洛夫经典条件反射功能模拟，仿生异突触关联学习机制。

        ● 在光电忆阻器阵列上展示人工视觉系统的颜色感知与记忆功能，以彩色字母“SCUT”作为测试模式。

        本研究开发了一种基于 Ag/ITZO/Ga₂O₃/ITO 结构的光电忆阻器，实现了光电突触、类脑计算以及多色图像识别与记忆的功能集成。该器件表现出稳定的突触特性，包括 PPF、LTP、LTD、STM、LTM 以及学习–遗忘–再学习循环，验证了其作为人工突触的可行性。此外，通过基于光调控的巴甫洛夫经典条件反射实现的异突触调制，展示了器件处理复杂输入模式的能力。将光电共调制下的导通状态作为卷积神经网络（CNN）的突触权重，器件表现出优异的类脑计算性能，实现了高达 97.13% 的图像识别准确率。在 3×5 光电忆阻器阵列中，器件对多波长光照呈现可区分响应，并实现多色图像的集成感知与记忆。

        这些结果凸显了该器件在未来类脑视觉系统中的潜力。总体而言，在单一光电忆阻器平台上成功集成复杂关联学习、类脑计算以及感知–记忆耦合功能，为下一代智能电子器件的发展提供了重要支撑。该工作为实现高效、可适应、功能密集的类生物感知计算系统奠定了基础。尽管 ITZO/Ga₂O₃ 光电忆阻器展现出优异的光响应与稳定的突触可塑性，但仍存在界面缺陷及光谱响应范围有限等问题。未来工作将着重于优化材料组成和界面工程，以提升均匀性、拓宽响应范围，并实现大规模集成，推动先进类脑视觉系统的发展。

图 1. ITO/Ga₂O₃/ITZO/Ag 异质结器件的结构分析。(a) 器件结构示意图，突出显示 Ga₂O₃/ITZO 异质结(b) ITO/Ga₂O₃/ITZO 多层的横截面 SEM 图像。(c) Ga₂O₃ 薄膜的 XRD 图谱。(d, e) Ga₂O₃ 薄膜的 XPS 分析：(d) Ga 2p 核能级谱，(e) O 1s 峰。(f, g) ITZO 薄膜的 XPS 光谱：(f) Zn 2p 核能级，(g) O 1s 光谱。(h) Ga₂O₃ 薄膜的 UPS 光谱。(i) Ga₂O₃ 薄膜的 AFM 表征。(i-I) Ga₂O₃ 表面二维 AFM 图，(i-II) 三维 AFM 图，扫描范围为 5 × 5 µm²。(i-III) 沿 (i-I) 中白色虚线提取的截面高度剖面。

图 2. 电驱动人工突触功能。(a) 生物突触与人工突触的概念性比较。(b, c) 器件在正负电压扫描下连续 10 个周期的 I–V 特性。(d, e) PPF 与 PPD 特性。插图显示脉冲输入下的典型响应。(f) 通过 +1.5 V / –1.5 V 诱导的增强与抑制来模拟 LTSP。(g–i) 器件电流随脉冲间隔、幅度和宽度的调制关系。

图 3. Ga₂O₃/ITZO 异质结器件的光电突触特性。(a) 器件在不同波长光照（275、365、470 和 550 nm）下的示意图。(b–e) 在特定波长下、不同光强条件下测得的光电流响应曲线及光关闭后的电流衰减。(f) 在恒定光强 130 μW/cm² 下，不同照射时间的光电流响应。(g–j) 光刺激下 PPF 指数随脉冲间隔变化的关系：275 nm、365 nm、470 nm 和 550 nm。插图显示两次连续光脉冲触发的电流响应示意。(k) 光刺激下“学习–遗忘–再学习”过程的概念性示意图。(l) 实验展示了突触可塑性，表现出连续的学习、遗忘与再学习过程。

图 4. 视觉异突触调制。(a) 视觉异突触调制及其与生物系统功能对应关系的示意图。(b) 365 nm 光脉冲作为中性刺激（NS，铃声），仅引发亚阈值电流，类似于无唾液反应。(c) 275 nm 光脉冲作为无条件刺激（US，食物），引发超阈值电流，类似于唾液分泌反应。(d) 训练阶段，275 nm 与 365 nm 光脉冲的联合应用表现为 NS+US 同时刺激，协同作用产生条件化唾液反应。(e) 铃声引发唾液反应。

图 5. 光电忆阻器在手写数字识别中的应用。(a) 基于 CNN 的识别流程图。(b) 光电协同调制阵列示意。(c) 不同调制方案下识别准确率随训练迭代次数变化。(d) 100 个训练周期后，六种训练方法的最终识别准确率比较。(e–i) 在不同调制条件下获得的混淆矩阵：仅电调制，以及光电协同调制下 275 nm、365 nm、470 nm 和 550 nm 光照条件。

图 6. 人工视觉感知与记忆功能。(a) 人工视觉系统的示意图。(b) 光电忆阻器阵列的结构示意图，插图显示单个突触单元。(c–f) 四个波长（275 nm、365 nm、470 nm 和 550 nm）照射 10 秒后的光响应。(g) 3×5 光电阵列展示了持续的视觉记忆性能，可在四种波长下保持字母“S”、“C”、“U”、“T”图案，光强恒定为 220 μW/cm²。

DOI：

doi.org/10.1016/j.cej.2025.169684