【材料】电子科技大学王军教授、于贺副教授、廖宇龙研究员Adv. Funct. Mater.：基于精准硒化工程的双向响应光电探测器

导语

用于模拟人类大脑感知系统、信息处理等功能的仿生神经形态计算系统近年来受到广泛关注。神经形态计算系统的基础模块为仿生突触器件，其兴奋和抑制特性可通过具有双向响应功能的光电探测器模拟实现。其中，基于全光调制原理的器件能够突破传统电调制器件在计算速度和能耗方面的局限，在人工视觉系统及逻辑电路模拟等领域具有重要应用前景。目前，全光调制器件主要通过异质结构实现，需严格遵循能带匹配原则，在材料的选取和组合方面较为苛刻，且依赖复杂的器件制备工艺。因此，亟待开发一种基于简单器件结构且可通过简易制备方法而实现的全光调制器件。
近日，电子科技大学王军教授、于贺副教授与廖宇龙研究员合作报道了一种基于精准硒化工程制备PtSe_2-x双向光响应器件的新策略。硒化工程是一种简单、快速、可规模化合成的材料制备技术，被广泛应用于二维过渡金属硫化物等材料的生长研究。本文采用硒化工程实现了PtSe_2-x复合薄膜的制备，该薄膜由PtSe₂和Pt两种组分构成，在PtSe₂的光电导效应与Pt的辐射热效应的双机制作用下，器件在不同波段范围展现出极性相反的光电流，且可通过调节PtSe₂的比例进行精确调控。该器件实现了具有神经形态特征的全光调制双向响应，通过持续施加兴奋/抑制刺激的厌恶疗法，成功模拟了人体神经系统的条件反射功能，并执行了“与”和“或”等逻辑应用。此外，器件在可见光-中红外（405-5000 nm）宽光谱范围展现出良好的探测能力。相关成果以“Tunable Bi-directional Photoresponse in Hybrid PtSe_2-x Thin Films Based on Precisely Controllable Selenization Engineering”为标题发表于著名期刊Advanced Functional Materials上，并入选为封面文章（DOI: 10.1002/adfm.202205709）。

封面图片（图片来源：AFM）

前沿科研成果

基于精准硒化工程的双向响应光电探测器

图1. PtSe_2-x薄膜的材料表征。（a）PtSe₂原子结构示意图；（b）生长流程示意图（c）；HRTEM图像及（d）；AFM图像（e）薄膜的拉曼光谱和（f）XPS光谱。（图片来源：AFM）

PtSe₂为典型的1T六边形结构，其中一个Pt原子与六个Se原子相结合。本文通过简便的硒化工艺，将磁控溅射制备的Pt薄膜在Se原子富集的气氛中逐渐转换为PtSe_2-x薄膜，最终变为纯PtSe₂薄膜。根据PtSe_2-x薄膜的TEM图像，可以看出PtSe₂（红色区域）和Pt（紫色区域）同时共存于薄膜之中。同时，根据拉曼表征可以看出，随着硒化时间的增加，薄膜的两个特征峰（175 cm^-1的E_g模式和207 cm^-1的A_1g模式）均出现红移。在Pt厚度相同的条件下，该变化说明复合薄膜中PtSe₂的层数逐渐增加。此外，XPS测试结果中可以观察到复合薄膜中Pt⁰峰面积的减少和Pt⁴⁺峰面积的增加。完全硒化后，Pt⁰峰消失，根据计算可知Se 3d/Pt 4f的积分强度比为1.98，接近2:1。通过材料表征证实复合薄膜由PtSe₂和Pt组成，且可通过硒化工程精确控制两者的比例。 图2. PtSe_2-x器件的光电探测性能。（a）光电导器件结构；（b）光电流曲线图；（c）不同波长下的光电流；（d）PtSe_2-x器件可逆波长点的变化；（e）器件的光响应率变化曲线。（图片来源：AFM） 本文以聚酰亚胺（PI）为衬底生长复合PtSe_2-x薄膜，并制备为光电导型光电探测器，器件的示意图及实物图如图2a所示。器件的光电测试结果如图2b所示，随着PtSe₂组分比例的增加，器件在405-5000 nm波段范围内展示出了从负到正的光电流变化。同时，器件的响应时间随着PtSe₂比例的增加逐渐减小，说明器件从热响应逐渐转换为光响应。值得注意的是，对于两个特殊器件（x=0.34和0.77），单一器件在不同波段展示出正负光电流的切换。且波长翻转点可以通过x的值进行调控。本文研究了器件响应度与波长和x的关系，进一步展示正负响应切换的过程。由于器件具有宽波段探测能力（可见光-中红外），同时兼具正负响应切换性能，该器件未来可以应用于图像、通信方面，保证数据安全传输。综上所述，PtSe_2-x器件展现出可调的双向光响应和从可见光到中红外的宽波段探测能力。

图3. PtSe_2-x器件工作原理。（a）复合薄膜中；（b）Pt的辐射热效应和（c）PtSe₂光电导效应的协同机制示意图；（d）模拟空穴密度图；（e）理论计算与实验测试光电流与偏压的依赖关系图；（f）光学吸收光谱；（g）Pt和PtSe₂对应的光电流。（图片来源：AFM）

为了阐释PtSe_2-x器件的机理，本文构建基于PtSe₂和Pt串联的等效电路模型，并通过TCAD仿真研究了复合薄膜的载流子分布特性。仿真结果与光电响应测试具有一致性，即随着PtSe₂比例的增加，光电流极性从负到正发生翻转。金属Pt具有正电阻温度系数，由于光热效应及PI衬底热绝缘性，光照下光电流明显降低。与之相反，光照下，p型PtSe₂光生空穴数量增加，电阻降低。因此，随着PtSe₂含量的增加，器件的光电导响应逐渐超过热响应，导致光电流极性改变。

为了进一步探究器件特殊的双向光响应（x=0.34和0.77），本文测试了不同比例复合薄膜的光吸收曲线。复合薄膜在500-600 nm处吸收率达到峰值，且随着PtSe₂厚度增加逐渐增强。与之相反，由于光子能量削弱，Pt薄膜的光热效应随着波长的增加而减少。对于x=0.34的器件，在405 nm下金属Pt主导了光响应，产生负光电流，当波长增加时，PtSe₂的光响应克服了Pt的热响应，器件的光电流极性转为正。对于金属Pt含量更多的器件（x=0.77），在520 nm的光照下，Pt的热响应更强，此时器件展示出负的光电流，波长增加时转变为正光电流。因此，可以根据特殊的需求调节PtSe_2-x薄膜中PtSe₂的成分，从而实现光电流方向和极性翻转波长的调制。

图4. PtSe_2-x器件人体神经系统模拟和逻辑应用。（a）生物神经网络和突触的示意图；（b）器件的EPSCs和IPSCs；（c）器件的PPF指数和兴奋/抑制脉冲对触发间隔时间Δt的依赖性；（d）厌恶疗法模拟；（e）逻辑功能的原理图和真值表；（f）器件“或”和“与”的逻辑功能。（图片来源：AFM）

基于器件全光调制双向光响应的特性，本文将PtSe_2-x器件用于模拟光学突触的基本功能。分别采用405 nm和980 nm的光模拟生物神经网络中突触前释放的兴奋/抑制神经递质，触发器件产生抑制和兴奋性突触后电流（IPSCs/EPSCs）。在连续施加两次脉冲光之后，器件产生两个脉冲峰值（A₁,A₂），A₂/A₁的值定义为PPF指数。本文器件的PPF指数为182%，在目前报道的大多数光突触器件中具有明显优势。

随后，通过持续施加两种脉冲光信号，该器件模拟了厌恶型疗法。采用980 nm和405 nm的脉冲光分别模拟患者对香烟的渴望和厌恶，随着治疗过程的进行，患者对香烟逐渐从成瘾转为厌恶，并在结束治疗后保持较长时间。该实验成功模拟了人体神经系统的条件反射。最后，通过控制输入光信号（980 nm）和调制光信号（405 nm）的光强，器件成功实现了“与”和“或”逻辑功能，而无需外部电信号控制。

总结与展望 本研究提出了一种通过精准硒化工程制备具有全光调制的双向响应光电探测器的新策略。该器件由PtSe₂和Pt组成，随着PtSe₂组分的增加，在不同波段范围器件光电流的方向逐渐从负转变为正。通过光电特性测试和TCAD仿真模拟，揭示了器件的特殊响应是由PtSe₂的正光电导效应和Pt的负光热效应协同产生的，且可通过PtSe₂的比例精确调控。该器件通过全光调制实现了厌恶型疗法的模拟和逻辑电路功能。此外，得益于Pt的辐射热效应及PtSe₂的光电导效应，器件在405-5000 nm波段范围内展现出良好的探测能力。本研究不仅深入了解了双向光响应的协同机制，而且为制备宽波段、稳定、可调谐的双向光响应器件提供了一种新策略，为未来人工神经形态系统的发展提供了一种可靠的方法。
文章通讯作者为电子科技大学王军教授，于贺副教授和廖宇龙研究员，电子科技大学博士生练芸路为论文第一作者。此研究得到了国家自然科学基金项目（Nos. 61922022, 62171094, 62175026, 61875031, 62104026）支持。

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通讯作者简介

王军，电子科技大学教授、博导，光电探测与传感集成技术教育部重点实验室副主任，获得自然科学基金优青项目和教育部新世纪优秀人才计划资助。主要从事室温红外与太赫兹探测技术相关研究，承担完成国家重大专项及子课题、863重点项目、自然科学基金等10余项，获教育部、工信部及国家技术发明奖励。在Adv. Mater.、Light: Science & Applications、InfoMat、ACS Nano等发表SCI论文60余篇，授权发明专利50余项。担任《功能材料与器件学报》编委、《红外与激光工程》青年编委、《InfoMat》青年编委、中国光学工程学会理事等。

于贺，电子科技大学副教授。2010年至2012年前往美国伊利诺大学香槟分校开展合作学习和交流，2013年获得电子科技大学光学工程博士学位，同年留校任教，2016年晋升副教授。主要从事柔性智能传感器、高速硅基光电探测器、量子功能光电探测器领域的科研工作。主持国家自然基金面上项目/青年项目等多项国家级/省部级科研项目。取得多项创新成果，以第一/通讯作者在Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials &Interfaces等国际期刊发表论文20余篇。
廖宇龙，电子科技大学研究员。主要致力于开展材料学、微电子学、电化学等交叉学科研究。研究结果先后在国际著名学术刊物发表50余篇学术论文，其中第一作者发表的论文包括：Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A、ACS Appl. Mater. Interfaces等杂志。论文发表以来，得到了SCI期刊引用471次（其中他引419次），H因子为13。目前承担国家青年自然基金一项，并承担国家重大研究专项“青年科学家项目”子项目，作为骨干参与多项重大重点项目，国家重点研发计划“自旋波电子学新材料与新效应”等。

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