半個世紀以來，馮·諾依曼計算機一直是解決結構化數學問題的主要工具，并取得了巨大的發展。然而，隨著高能效和智能計算需求的不斷增長，傳統的馮·諾依曼計算機面臨著帶寬不足和能耗過高等問題，迫切需要新的計算架構來應對這些挑戰。近年來，人腦的神經系統成為了一種備受期待的生物超級計算機系統，因為它擁有學習、識別、感知和記憶等高度并行信息處理能力，具有高速計算和極低能耗的優勢。這個系統由神經元網絡組成，這些神經元網絡之間通過數以萬億計的突觸連接進行通信，模擬了人腦的復雜功能。

為了模擬突觸的生物行為，研究人員提出了一種神經形態裝置，通過觸發具有不同電導值的動作電位來調節突觸的權重。這一創新方法使得人工突觸具有了短期可塑性、長期可塑性和尖峰率依賴可塑性等功能。盡管已經進行了廣泛的突觸模擬研究，但大多數設備仍然依賴于電信號的刺激來調節其電導，這在帶寬、連接密度和互連問題上存在限制。此外，人類的感知刺激幾乎都來自外部源，無法完全用電信號來模擬。因此，光學突觸被認為是一種有前途的選擇，它可以提供比電突觸更大的帶寬、更快的信號處理速度和更低的能耗，并為人工視覺系統等應用提供了新的可能性。

最近，一些光電神經形態裝置被提出用于模擬突觸行為，其中一些可以實現興奮性和抑制性突觸后電流。然而，大多數這些裝置仍然依賴于不可見光源，這限制了它們在人工視覺系統等應用中的使用。在這方面，新興的層狀硒化鉍（Bi2O2Se）材料表現出了出色的電子遷移率、寬帶光響應和環境穩定性，適用于多種光電子器件。盡管這一材料具有潛力，但迄今為止還未在光學突觸應用中得到廣泛采用。

本研究首次將Bi2O2Se與石墨烯混合結構應用于光電探測器、光電子學、神經形態裝置和數字邏輯運算等多個領域。這種混合器件可以通過激發不同波長的光源來控制其正負光響應，無需額外的柵極控制。這一特性使得我們能夠模擬主要的突觸功能，例如短期記憶、長期記憶、長期增強和長期抑制，通過調節光電導。此外，通過不同波長的光輸入和光開關，我們還能夠在同一設備中實現邏輯功能，如“AND”和“OR”。

通過使用開爾文探針力顯微鏡，我們觀察到了Bi2O2Se /石墨烯層的表面電位變化，支持了這種雙向光響應機制。這一研究為構建神經形態系統提供了一種創新且高效的途徑，將硒化鉍材料引入光學突觸領域，為未來的計算和光電子學開辟了新的前景。

Bi2O2Se的制備：采用低壓化學氣相沉積（LPCVD）方法制備了均勻、高質量的Bi2O2Se單晶，如圖1a 所示。簡言之，將Bi2O3和B2Se3粉末放置在室的中心和上游以產生蒸氣源。由于新劈裂的云母與Bi2O2Se表現出強烈的相互作用，因此它是橫向二維生長的合適基材。將該云母基材放置在室的下游側。在典型的生長條件下，壓力保持在100托，中心區溫度保持在700℃ 40分鐘，然后自然冷卻至室溫。

圖1 Bi2O2Se的CVD合成及表征

光電探測器的應用：光介導的激發是通過分別用 635 和 365 nm 的波長照射光電探測器來進行的。在這里，這種混合光電探測器表現出兩種響應模式，即正光電導（PPC）和負光電導（NPC）。PPC通常是由激發更多電荷（電子或空穴）從價帶到導帶的照明產生的，從而導致半導體電導率的增加。此外，NPC是指半導體在光照下電導率降低。光對 Bi2O2的影響分別研究了 1 V 電壓下的 Se 和石墨烯通道，以區分混合器件中的 NPC 和 PPC。

機理：，在強度為 1.2 mW cm ^-2 ^的635 nm 照明下Bi2O2Se的電流變化被區分為兩種狀態的行為，表明這種 PPC 行為涉及兩種效應。在第一區域中，隨著燈的開啟，器件的電流在短時間內顯著增加。這種快速響應是指在其他光電材料中觀察到的光電導性。此后，第二區域中的電流逐漸增大。這種緩慢的響應歸因于先前報告中描述的輻射熱效應引起的熱載流子注入。因此，我們得出Bi2O2Se的PPC現象是由光電導效應和測輻射熱效應共存引起的。相反，在石墨烯中觀察到NPC行為，如圖2c所示。在波長為365 nm的照射下，石墨烯的電流逐漸減小，并且隨著光強度從0.6增加到4 mW cm^-2^ ，電流的衰減取決于光強度。電流減少的這種緩慢響應可以通過光誘導的物理氣體從石墨烯表面的解吸和吸附來解釋。由于該器件處于大氣中，氧分子充當受體，電子將從石墨烯流向吸附物，這使得石墨烯的費米能級移至低能級，形成p型摻雜層。這種提出的電荷轉移機制在基于石墨烯的氣體傳感器中被廣泛接受。

圖2 在 Bi2O2Se/石墨烯混合器件中觀察到正光電導性和負光電導性

KPFM測試：基于KPFM測量，這兩種效應分別通過Bi2O2Se在635和365 nm照射下相反的費米能級變化得到驗證。通過用 635 nm 波長照射器件來實現Bi2O2Se費米能級變化的增加，這表明存在光電導效應。相反，觀察到Bi2O2Se在 365 nm 照射后的費米能級較低，這與輻射熱效應直接相關。通過這種方式，可以觀察到 365 nm 照射下的石墨烯的 NPC 行為。石墨烯的費米能級增加以接近狄拉克點，因為空穴載流子的濃度因氧或水分子從石墨烯表面的解吸而降低。總體而言，用于解釋該機制的 KPFM 結果與Bi2O2Se/石墨烯雜化結構中的光響應一致。PPC 和 NPC 之間光響應的轉變分別通過 635 nm 和 365 nm 的照明實現并完全解釋。

圖3 采用 KPFM 來揭示Bi2O2Se/石墨烯薄膜的表面電位差 (SPD)并構建具有不同光調制的混合結構的能帶圖

突觸可塑性的模擬：這一獨特的光響應性有助于模擬突觸的短期和長期可塑性。這是由光電導、測輻射熱和光誘導解吸的綜合作用實現的。我們可以實現所有光刺激的長期增強或長期抑制，從而為神經形態硬件開辟了新的可能性。

圖4 光刺激下Bi2O2Se/石墨烯突觸器件中的突觸功能

數字邏輯功能的全光調制：展示了這些器件在數字邏輯功能方面的應用，如“AND”和“OR”操作。通過全光調制，我們能夠執行這些邏輯操作，進一步證明了Bi2O2Se/石墨烯混合結構的多功能性。

圖5 光電數字邏輯應用

綜合而言，所提出的基于Bi2O2Se/石墨烯的光電器件代表了未來多功能人工神經形態系統開發的創新且高效的構建模塊。這項研究為光電子學和神經形態計算領域的進展帶來了嶄新的可能性，有望推動人工智能技術的發展。