【会员论文】院士团队新成果！AFM顶刊刊发：无需电偏置调控突触权重，γ‑Ga₂O₃量子点 / 石墨烯异质结实现紫外仿生视觉感知

        由东北师范大学刘益春院士联合内蒙古大学的研究团队在学术期刊 Advanced Functional Materials 发布了一篇名为γ-Ga₂O₃ Quantum Dots/Graphene Heterostructure Enabling Bidirectional All-Optical Artificial Synapses for Ultraviolet Motion Recognition（γ-Ga₂O₃ 量子点/石墨烯异质结构实现用于紫外线运动识别的双向全光人工突触）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。

        人工智能视觉系统是自动驾驶、智能机器人、安防监测等前沿领域的核心支撑。传统机器视觉基于冯・诺依曼架构，传感、存储、计算单元物理分离，数据传输过程存在高延迟、高功耗的固有瓶颈。生物视网膜可在信号传输至视觉皮层前完成原位感知与预处理，具备低功耗、并行处理的天然优势，由此催生感知-存储-计算一体化的光电神经形态器件研究，人工突触是该类器件的核心单元。

        为实现高速、低串扰的神经形态视觉，亟需全光调控突触权重器件，规避电偏置带来的电流串扰与额外功耗。现有光电突触大多依赖光电混合调控，或受环境、复杂多物理机制制约稳定性；已报道的全光异质结器件调控依赖块体光电导、热辐射或外界气体吸附，器件鲁棒性与可预测性较差。

        氧化镓（Ga₂O₃）具备超宽禁带（~4.9 eV）、优异热/化学稳定性，氧空位本征缺陷可实现从日盲紫外到可见光的宽光谱光响应，是后摩尔时代光电器件优选材料。但传统块体/薄膜 Ga₂O₃ 突触器件仍需电辅助调控突触状态，无法实现纯光操作；零维量子点具备高比表面积、尺寸可调光电特性、低温溶液加工优势，可通过光驱动可逆表面氧吸脱附实现无电辅助的突触权重更新，为全光神经形态视觉器件提供可行方案。本文基于 γ-Ga₂O₃ 量子点/石墨烯异质结构，构建双向全光调控人工突触，解决现有器件依赖电调控、环境稳定性差的痛点。

        人工智能视觉系统需要传感、存储与计算无缝集成，以此克服传统冯・诺依曼架构带来的延迟与功耗瓶颈。尽管光电忆阻器是极具前景的解决方案，但现有大多数器件依赖光电混合调控，限制了器件效率与响应速度。本文提出一种基于 γ-Ga₂O₃ 量子点/石墨烯异质结构的全光调控人工突触。该器件利用 γ-Ga₂O₃ 量子点可实现、可逆、波长选择性的氧吸附/脱附效应：365 nm 紫外光触发氧脱附，降低石墨烯电导率，模拟抑制性突触行为；690 nm 红光促进氧再吸附，提升石墨烯电导率，模拟兴奋性突触行为。原位开尔文探针力显微镜与环境控制实验证实，该机制由表面氧动态调控的界面电荷转移主导。该器件可模拟关键突触可塑性，包括成对脉冲易化/抑制以及短时可塑性向长时可塑性的转变。此外，利用突触器件光诱导电导变化，本文实现仿生视觉预处理功能，如类视网膜边缘检测、觅食场景下的仿生运动追踪。该工作为器件层面开发高能效、全光控制神经形态视觉原型器件提供可行策略，搭建了表面缺陷工程与先进视觉感知之间的桥梁。

        ① 首次构建 γ-Ga₂O₃ 量子点/石墨烯异质结全光人工突触，摆脱传统光电突触对电偏置辅助调控的依赖，仅依靠 365 nm 紫外、690 nm 两种波长光实现双向突触权重调控；

        ② 阐明统一、本征的波长选择性氧吸脱附调控机制：365 nm 紫外光驱动氧脱附产生抑制性突触响应（IPSC），690 nm 红光驱动氧吸附产生兴奋性突触响应（EPSC），通过原位 KPFM、真空/空气对照实验验证界面电荷转移动态过程，机制不依赖外界环境气体，器件环境稳定性优异；

        ③ 完整复现生物突触核心可塑性行为，包含成对脉冲易化/抑制（PPF/PPD）、短时可塑性（STP）到长时可塑性（LTP/LTD）的可逆转变，具备脉冲时长、光强、脉冲数量、脉冲频率依赖的可塑性，器件阵列均匀性、循环稳定性、热稳定性良好；

        ④ 基于器件线性对称的电导更新特性，实现两类仿生视觉预处理功能：类视网膜中心-周边拮抗机制边缘检测、蜜蜂复眼仿生动态目标追踪，可同步提取静态边缘特征与动态运动轨迹，面向紫外仿生视觉、低功耗片上感知计算应用。

        该团队成功制备了基于 γ-Ga₂O₃ 量子点/石墨烯异质结构的全光调控人工突触。该器件利用 γ-Ga₂O₃ 量子点表面可逆、波长选择性的氧吸附/脱附动态过程，解决了传统光电突触必须依赖外部电栅压调控的关键局限。在 365 nm 紫外光与 690 nm 红光照射下，器件可双向全光调控石墨烯沟道电导，模拟兴奋性、抑制性突触核心功能，包括兴奋性突触后电流/抑制性突触后电流、成对脉冲易化效应以及短时可塑性向长时可塑性的转变。环境控制实验与原位开尔文探针力显微镜表征证实，器件底层调控机制源于光诱导氧动态变化以及后续界面电荷转移过程。此外，依托突触器件线性、对称的电导变化特性，本文成功实现仿生视觉预处理功能，包括类视网膜边缘检测与仿生运动追踪。该工作在器件层面为构建低功耗、全光控制神经形态视觉系统提供稳健高效的实现方案，为表面缺陷工程与仿生视觉感知技术搭建了互通桥梁。

        基金（52025022）、国家自然科学基金（12474164、62404038、U23A20568、52372137、62571109）、吉林省专项基金（SKL202602014JC）、中国博士后科学基金资助项目（GZC20240240）、吉林省教育厅科研项目（JJKH20250300KJ）、内蒙古自治区自然科学基金（2026QC0226）、青年教师科研创新能力支撑项目（ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-I10）资助。