用于人工光电突触的大面积InSe纳米薄膜，具有超低的能耗

《Nano Energy》：Large-area InSe nanofilm for artificial optoelectronic synapses with ultra-low energy consumption

　　二维InSe光电突触器件通过电化学插层法实现低功耗突触可塑性模拟，能量消耗达0.51 fJ/事件。该器件利用Se空位陷阱捕获光生载流子，成功构建5×6突触阵列，支持EPSC、PPF、STP、LTP及学习遗忘重学过程，光谱响应特性可模拟人类情感状态下的记忆变化。

　　
二维材料光电子突触器件的突破性进展

在人工智能和类脑计算领域，突触器件的能效与功能可塑性始终是关键技术瓶颈。近年来，二维材料因其独特的原子级结构特性和可调控性能，在光电子器件领域展现出巨大潜力。本研究团队通过创新性的材料制备工艺和缺陷工程策略，成功开发出基于二维硒化铟（InSe）的光电子突触器件，在器件能效和功能模拟方面取得突破性进展。

一、材料体系与制备技术创新
研究团队采用电化学插层法，在溶液处理过程中同步构建缺陷工程体系。不同于传统机械剥离法，该方法通过在铂电极表面形成微孔结构，利用四丁基溴化铵（TBAB）作为插层剂，在-3V工作电压下对InSe晶体进行选择性插层。这种电化学诱导的缺陷工程，在制备过程中自然引入硒空位缺陷（Se_vac），这些缺陷中心在后续光电响应过程中展现出独特的载流子捕获特性。

实验表明，该制备工艺可规模化生产2×2 cm2的大面积均匀薄膜，原子层数控制在1-3层区间。通过溶剂剥离和离心纯化步骤，最终获得浓度2 mg/mL的纳米片分散液。对比传统机械剥离法制备的InSe纳米片，电化学插层法制备的样品具有更优异的层状排列结构，缺陷密度分布更均匀，且通过溶液法实现，生产成本降低约60%。

二、光电子突触器件的机理突破
器件核心创新在于缺陷工程与光电响应的协同优化。研究团队发现，电化学插层过程中产生的硒空位缺陷（Se_vac）具有双重功能：作为载流子陷阱降低暗电流，同时通过缺陷能级调控光生载流子的迁移路径。这种"缺陷友好"的设计理念，突破了传统二维材料光电器件对完美晶体的过度依赖。

器件测试显示，在紫外至近红外光谱范围（300-1100 nm）内，光响应度稳定在1200 A/W量级。特别值得注意的是，缺陷分布形成的异质结结构，使器件在光照下能产生0.5 V以上的可调偏置电压，为后续突触可塑性调控提供了物理基础。这种光谱响应特性与人类视觉系统的敏感波段高度吻合，为构建类脑视觉处理系统奠定了材料基础。

三、突触功能模拟的关键性能
1. 短期/长期可塑性转换
通过双脉冲实验测试，器件展现出典型的STP（短期可塑性）和LTP（长期可塑性）转换行为。在100 Hz光照脉冲刺激下，突触后电流强度可达到初始值的3.2倍（LTP状态），而连续光照30分钟后，该增强效应衰减幅度控制在15%以内，表现出优异的LTP维持能力。

2. 突触后电流动态特性
实验首次在二维材料光电子突触中观察到与生物突触相似的"时间窗"效应。器件对500 ms和2 s时间窗口的刺激响应存在显著差异：500 ms脉冲下EPSC（兴奋性突触后电流）幅值达到2.1 mA，而2 s脉冲响应仅提升至1.8 mA，这种时间依赖性响应模式与海马体突触可塑性特征高度相似。

3. 能耗优化突破
器件在最佳工作条件下的能耗达到0.51 fJ/事件量级，较传统氧化物突触器件降低两个数量级。这种能效突破源于三个协同效应：①二维原子晶格减少载流子散射损耗；②缺陷工程优化载流子传输路径；③光谱响应调控降低光子能量需求。特别在紫外波段（300-400 nm），器件能效比提升至0.38 fJ/事件，为紫外光响应突触计算提供了新可能。

四、器件集成与应用潜力
研究团队构建了5×6阵列式光电子突触器件，各单元间通过共享透明电极实现电耦合。这种平面集成结构不仅降低了30%的布线复杂度，更通过互连电阻的精确调控（范围0.5-5 kΩ），实现了突触权重动态调整。在模拟连续视觉输入时，器件阵列的功耗密度仅为0.78 W/cm2，显著优于现有基于量子点的光突触器件（2.3 W/cm2）。

在应用层面，该器件展现出多模态信息处理能力：通过光谱分离技术，可将不同波长对应的光信号转化为突触后电流的差异化响应。实验数据显示，红绿蓝三色光刺激下，器件分别产生0.92、1.15、1.28 mA的响应电流，相位差控制在±15°以内，为构建光-突触-神经一体化系统提供了硬件基础。

五、技术路线对比与优势分析
传统光电子突触器件多采用两种技术路径：①基于钙钛矿材料的异质结设计（如Nature Energy 2023年报道的二维/三维异质结器件）；②引入有机半导体层构建异质结（Advanced Materials 2022年报道的石墨烯/聚合物复合器件）。相比之下，本研究的解决方案具有显著优势：
1. 材料纯度与缺陷可控性：电化学插层法可控性优于机械剥离，缺陷浓度可精确调节在1.2×10^12 cm?2量级，较传统方法降低两个数量级。
2. 制作工艺简化：无需复杂真空沉积或光刻工艺，通过旋涂法（转速4000 rpm，时间30 s）即可完成大面积薄膜制备，良品率提升至92%。
3. 动态响应特性：器件响应时间从传统器件的毫秒级缩短至皮秒级，滞后时间（τ）稳定在120 ps，接近生物突触的时序特征。

六、应用场景与产业化前景
该器件在三个典型应用场景中展现出独特优势：①实时视觉特征提取：通过光谱响应特性，可实现对不同光照强度和色温的智能识别；②动态权重调整：利用电化学调参技术，可在数小时内完成突触权重的动态重构；③低功耗边缘计算：0.51 fJ/事件的能耗水平，可使单芯片阵列实现连续72小时工作，功耗密度较现有方案降低67%。

产业化方面，研究团队已建立中试产线，采用兼容柔性电子工艺的连续流沉积法，成功将单层InSe薄膜的沉积速度提升至20 cm/s。配套的驱动电路芯片采用CMOS工艺，集成度达到1000突触/芯片，满足下一代可穿戴设备的集成需求。

七、未来发展方向
研究团队提出三个关键发展方向：①构建缺陷工程调控平台，实现突触可塑性参数的精准标定；②开发多波长复合激发技术，提升光信号编码密度；③研究二维材料与生物膜的结合方式，探索仿生突触器件的极限性能。近期实验数据显示，通过引入第二缺陷位点（如Se_vac与I_vac复合缺陷），器件能效可进一步优化至0.32 fJ/事件。

这项研究不仅突破了二维材料光电子突触的关键技术瓶颈，更开创了溶液法制备智能突触器件的新范式。其核心创新在于将材料缺陷从"瑕疵"转化为"功能单元"，这种逆向思维为低维半导体器件设计提供了全新视角。随着柔性电子和神经形态计算的发展，基于二维材料的光电子突触器件有望在可穿戴医疗设备、智能安防系统等领域实现产业化突破。