【会员论文】AFM丨重庆师范大学李万俊教授团队基于单一非晶氧化镓材料实现自供电日盲探测与类脑视觉双模光电融合

        由重庆师范大学李万俊教授联合东北师范大学、电子科技大学、伍伦贡大学的研究团队在学术期刊 Advanced Functional Materials 发布了一篇名为 Interface-Defect Synergy Engineering of Amorphous Ga₂O₃ for Voltage-Tunable Dual-Mode Optoelectronic Devices: Self-Powered Imaging and Neuromorphic Vision（界面缺陷协同调控非晶氧化镓用于电压可调双模光电器件：自供电成像与类脑视觉）的文章。

        《Advanced Functional Materials》（影响因子：19.0）涵盖广泛领域，具有重要的学术影响力。该刊广泛涉及工程技术及材料科学等多个领域，每周发布材料科学领域的最新研究成果，包括纳米技术、化学、物理学以及生物学等多个子领域。凭借其高效的同行评审制度、优质的内容以及广泛的影响力， 《Advanced Functional Materials》涉及材料科学及工程技术等领域，是国际材料科学领域的重要期刊，被国际权威自然指数评选为顶级期刊之一。

        传统冯诺依曼架构将光电探测、存储、计算单元物理分离，数据传输延迟高、能耗大，难以适配轻量化智能视觉硬件。将光电传感与类突触认知功能集成于单一器件，是突破算力瓶颈的核心路线，但两类功能对载流调控需求完全矛盾：高灵敏探测需要高效载流分离，类突触行为依赖电荷捕获实现电导缓变，二者难以兼容。现有双模器件多依靠多异质结复合结构，能带偏移调控难度大、制备流程复杂、界面缺陷不可控。非晶 Ga₂O₃ 具备超宽禁带、低成本可大面积制备优势，是日盲探测优选材料，但缺少界面缺陷可控调控方案。本文提出界面缺陷协同工程策略，在 ITO/GaOₓ/Al 垂直结构内通过界面原位氧化还原反应精准引入氧空位不对称势垒，仅依靠单一有源层实现零偏自驱动日盲成像、低压类突触两种可电压切换工作模式，兼顾弱光高灵敏探测与低功耗学习记忆，为单片集成智能视觉硬件提供简易可行方案。

        将自驱动光电探测、类脑计算等多种光电功能集成至单一同质材料器件，对下一代电压可编程智能视觉系统至关重要。本文基于非晶 GaOₓ 构筑 ITO/GaOₓ/Al 单片电压可调器件，实现两种可电压切换工作模式，同时兼容自驱动日盲光电探测与低功耗光突触功能。双模特性来源于不对称界面势垒与氧空位工程的协同耦合效应。研究团队利用 Al 与 GaOₓ 界面原位氧化还原反应，在器件内部构筑富氧空位 AlOᵧ 过渡层，并结合上下电极功函数差异形成不对称势垒结构。通过截面 HAADF-STEM、EDS 元素 mapping 以及三维 SIMS 深度剖析等表征，证实了界面氧迁移及氧空位富集过程，为双模式功能实现提供结构基础。依托这套精准界面缺陷协同调控方案，器件实现优异自驱动日盲探测性能，响应速度约 100 µs，弱光探测极限低至 13 nW；施加低压后，器件可模拟配对脉冲易化、学习-遗忘-再学习等仿生突触动力学，单次突触事件能耗仅 18 pJ。可逆电压调控可让单像素与 10 × 10 阵列器件同时实现高对比度瞬态成像、长期视觉存储两类功能。基于该器件搭建的类脑视觉系统可在外部噪声干扰下稳定完成“探测-存储-识别”完整任务。本工作为电压可编程光电器件集成提供革新思路，在简化高性能单一材料体系内同时实现传感与认知功能。

        ① 首创非晶 GaOₓ 界面缺陷协同工程方案，依靠 Al 界面原位氧化还原生成氧空位，仅单一有源层实现电压切换双模工作，无需多层异质结；

        ② 零偏自驱动模式下器件实现 13 nW 超弱光探测极限，响应速度约 100 µs，日盲/可见光抑制比达 2.6 × 10³；

        ③ 低压偏置下复刻配对脉冲易化、短时/长时可塑性、学习遗忘等生物突触行为，单次突触运算能耗低至 18 pJ；

        ④ 成功制备 10 × 10 交叉阵列，可分别完成高对比度自供电日盲成像与长期图像记忆存储；

        ⑤ 模拟了类脑视觉系统，在噪声环境下仍可稳定完成图像探测、存储、识别，识别稳定精度达 93%。

        为揭示双模式转换机制，研究团队进一步构建了多种对照器件进行验证。结果表明，不同电极组合导致的势垒差异决定了零偏状态下载流子的分离方向，实现自驱动光电转换；而 Al/GaOₓ 界面产生的氧空位缺陷则作为载流子俘获中心，在低压条件下诱导持续光电导效应，实现突触记忆功能。该结果明确区分了界面势垒与缺陷态在两种工作模式中的不同作用，为电压调控双功能集成提供物理依据。

        综上，本文基于单层非晶 Ga₂O₃ 制备垂直电压可调光电器件，在单片结构内实现电压可编程双模工作。通过界面缺陷协同调控策略，不对称界面势垒与氧空位调控协同耦合，器件可在自驱动日盲光电探测、低功耗光突触两种模式间无缝切换。该无多层异质结架构具备优异探测性能，响应速度约 100 µs，弱光探测极限低至 13 nW；同时器件可模拟低功耗突触可塑性，单次事件能耗仅 18 pJ，工作稳定性优异。电压调控可让单像素、阵列器件完成高对比度瞬态成像向长效视觉存储的功能切换，填补信号采集与类脑感知之间的功能鸿沟。本研究不仅为多功能光电器件集成提供简化单一材料路线，也为面向认知光子学、类脑视觉网络、大规模集成视觉硬件的低功耗智能光电器件开发提供可靠硬件基础。

        本研究得到国家自然科学基金（62574029、12304102）、重庆市自然科学基金（CSTB2023NSCQ-MSX0479）、重庆市教委科技项目（KJZD-M202600502、KJQN202300536、KJQN202400558）、重庆师范大学科研基金（23XLB029、23XLB002、S202510637007）资助。