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背景介绍
双向光响应器件能够产生极性可切换的光电流信号，在神经形态视觉应用中引起了越来越多的关注。然而，在单个器件中同时实现自供电工作和双向光响应仍然是一个重大挑战。生物神经形态系统能够实现信息获取、预处理、记忆和决策的协同操作，展现出高度并行、低功耗和环境适应性。光电突触器件被认为是集成传感、信息存储和计算的神经形态视觉硬件的关键基础。这些器件通过光刺激直接接收电流，并进一步模拟典型的神经形态行为，如配对脉冲易化（PPF）、短期可塑性、长期可塑性等。然而，大多数已报道的光电突触器件依赖于单极光电导，即表现出增强的光电导。相比之下，生物视觉不仅通过兴奋性信号增强特征，还通过抑制性通路抑制背景噪声。因此，单极光电突触器件难以完全模拟生物神经形态系统的协同视觉监测。此外，大多数神经形态视觉系统依赖外部偏置来工作，难以实现低功耗运行。因此，集成自供电和双向光响应的单一器件对于构建高效低功耗神经形态视觉系统具有重要意义。双向光响应对于光电突触器件实现类似于生物视觉的信息处理至关重要，其模拟兴奋性和抑制性突触输出。这一功能要求器件在不同光刺激下产生可区分的电响应。波长调制提供了额外的光编码维度，无需栅极端子或改变电读出配置。因此，它与简单的两端自供电器件兼容，并可能促进多光谱信号辨别。在不同波长刺激下实现双向光响应的器件，具有在单个器件内实现信号增强和噪声抑制的潜力。这提高了视觉信息处理的效率。根据近期研究，双向光响应可通过栅极电压、入射波长、偏振态和光强度等控制。例如，电场决定电荷载流子类型并调节能带结构，导致正光电导和负光电导之间的转变。波长调制可以激发异质结构结，其中短波长光可诱导光伏或光电导电流，而长波长光可触发相反的光热电电流。类似地，偏振敏感结可将不同偏振态转换为相反的电输出。尽管在这方面已取得重大进展，但关于如何在单个器件中同时实现自供电工作、波长依赖的双向光响应和突触可塑性，并进一步利用这些能力进行动态视觉任务，仍缺乏明确的器件设计策略。
研究思路
针对上述挑战，南开大学徐文涛教授等团队构建了一种基于电极与宽带隙半导体Sr₂Nb₃O₁₀（SNO）之间肖特基结的自供电双向光响应突触器件。2D宽带隙半导体SNO对紫外射线具有高响应性和选择性，被广泛探索用于光电探测器、电介质、铁电体和光催化等应用。在本工作中，双向光响应指器件输出相对于基线在两个相反方向上的波长可寻址调制，包括365 nm光照下的正向响应和254 nm光照下的瞬态负向响应。该器件在365 nm下表现出极性可逆光响应，其中光照后立即出现负光电流，随后电流增加并最终变为正值。在连续365 nm光照期间净电流符号从负到正的时间依赖性变化被单独称为时间双极光响应或时间极性反转。而这一现象在254 nm下不发生。这种响应源于肖特基结驱动的快速电流与氧脱附和空穴俘获诱导的慢速光栅电流之间的竞争。基于这一机制，器件在不同时间和波长依赖通路上表现出正负光响应，从而为噪声场景中动态视觉预处理的原理验证模拟提供了测量器件参数。通过在单一结构中集成自供电工作和波长选择性极性切换，该器件有望替代依赖多个探测器和滤波模块的复杂系统，从而推进低功耗光电设备的发展。相关内容以 Self-Powered Bidirectional UV Optoelectronic Synapses Based on Competitive Schottky-Photogating Dynamics Toward Enhanced Neuromorphic Motion Recognition 发表在 Advanced Functional Materials！
图片解析
图1. SNO光电突触双向光响应实现的降噪运动分类原理验证示意图：交叉口交通运动被编码为动态光学输入。器件表现出双向光响应用于信号增强和噪声抑制。处理后的运动轨迹按方向分类。
图2. 连续脉冲刺激下SNO器件的紫外响应特性：(a) SNO突触器件示意图；由(b) 365和(d) 254 nm辐射触发的两个连续紫外脉冲下的突触后电流（PSC）；(c) 365和(e) 254 nm紫外刺激下PPF指数随脉冲间隔的变化；(f) 365和(g) 254 nm连续紫外脉冲下的PSC，显示不同脉冲宽度、脉冲间隔和脉冲数下的脉冲历史依赖性电流积累。
图3. SNO光电突触性能和双向光响应机制示意图：(a) 人类视觉识别系统示意图，包括视网膜、视神经元和突触；由(b) 365和(e) 254 nm刺激的脉冲强度依赖性PSC；相同脉冲宽度的(c) 365和(f) 254 nm紫外辐射刺激的PSC；不同偏压下(d) 365和(g) 254 nm脉冲触发的PSC；(h) 暗条件下，SNO表面氧吸附产生表面耗尽层并升高肖特基势垒。365 nm光照下，结区初始光载流子分离产生瞬态负电流。长时间光照触发慢速氧脱附和界面空穴俘获。这些效应形成正电荷层，产生正光栅电流，导致电流极性反转；(i) 真空条件下365 nm辐射刺激的SNO器件PSC；(j) Sr 3d、Nb 3d和O 1s峰的XPS谱。
图4. SNO器件的视觉感知和识别模拟：(a) 通过双向光响应进行动态视觉编码和抗噪运动识别的示意图；(b) 理想、(c) 噪声和(d) 去噪图像条件下运动的聚类结果；(e) 10个不同方向的运动轨迹识别，包括上、下、左、右、左上、右上、左下、右下、顺时针（CW）和逆时针（CCW）。
结论
该工作展示了一种基于Au/SNO/MXene异质结的自供电双向光电突触器件，并揭示了其潜在物理机制。这一现象源于两种过程之间的竞争，即Au-SNO肖特基结内建电场驱动的快速电荷载流子分离，以及源自SNO表面氧脱附的光栅效应。该器件可同时表现出365 nm时间极性反转和254 nm负瞬态响应。此外，该器件可用于运动方向识别和噪声抑制模拟。该工作证明自供电双向神经形态功能可在简单的两端器件中实现，为简化多波段识别系统、替代传统多器件协同方案以及推进新型光电智能传感设备提供了重要范式。该研究的局限性包括：在实际两端阵列中，潜行路径电流、像素间串扰和读出模糊可能影响时空信号积分的保真度；模拟中阵列表示为计算性的，本工作未展示物理器件阵列；有用物体和背景干扰在计算上分别分配给365和254 nm响应通道，这种分配代表概念性多光谱编码方案而非实验实现的光学阵列。