北工大张永哲和卢岳团队《Adv. Mater.》：感存一体光电探测器及其电荷存储机理

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在当今的数字化信息时代，超灵敏的现代光电探测器产生出了大量数据信息，精准并智能化地促进了社会生产的发展。然而，爆炸式增长的数据流对信息的实时存储和分析带来了巨大压力，并对传感、存储和计算独立进行的传统冯诺依曼架构造成了严峻挑战。在这种情况下，打破冯诺依曼架构，在单器件中将感、存、算功能集成一体的信息器件设计思路被认为是有效解决方案。在光电传感领域，作为新一代信息器件的研究基础，有必要对感存一体光电探测器（in-memory photodetector）及其工作模式进行深入探索。一方面，该类器件可以极大地简化传统成像系统的电路结构，为图像传感器的集成化和微型化带来希望；另一方面，该类器件在人工神经网络视觉系统中具有重要应用前景。目前，感存一体光电探测器的研究仍处于初期阶段，仍存在光响应特性差或存储时间短等问题。此外，感存一体光电探测器的电荷存储机理仍缺乏深入的实验分析，大大限制了器件结构和性能的发展。

近日，北京工业大学张永哲教授团队联合卢岳副研究员团队在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“High performance in-memory photodetector realized by charge storage in van der Waals MISFET”的文章（DOI: 10.1002/adma.202107734），该研究得到了国家自然科学基金等项目资助支持。文章以二维范德华异质结为基础，构筑出基于WSe₂/h-BN/SiO₂结构的感存一体光电探测器。该器件在暗电流标定、光电探测存储和光电流读出的三步光电探测工作模式中展现出优异的光电响应和存储特性。特别在日盲波段下，不但展现出极高的读出光电流和响应度（3.4 μA和337.8 AW^-1），还拥有长达10年的预期存储时间。此外，联合团队创新地通过原位光电电子能量损失谱（EELS）的表征方法，首次实验证明并深入研究了h-BN体内和h-BN/SiO₂界面的电荷存储机制，并在原子尺度表征出电荷存储分布。进一步，借助分析出的器件工作机理，通过理论推导结合实验验证的方法，对该感存一体光电探测器的波长和光功率依赖关系进行了全面分析。

面对当前二维材料器件仍存在诸多尚不清晰的电输运机制（尤其在电荷传输、隧穿和捕获过程），文章采用的原位光电EELS可作为一种器件通用的表征方法，能够在原子尺度深入探究器件内部的工作机理，并为当前多种类型先进器件的结构设计和性能优化提供更为直观的方向指引。

图1 感存一体光电探测器的器件结构和材料表征。（a）WSe₂/h-BN/SiO₂结构感存一体光电探测器的器件结构示意图；（b）器件光学显微镜图像；（c）大范围的WSe₂/h-BN/SiO₂结构断面的透射电子显微镜图像；（d,e）WSe₂层和h-BN/SiO₂界面的高分辨透射电子显微镜图像

图2 感存一体光电探测器的光电探测特性。（a）感存一体光电探测器的工作模式，步骤1：暗电流标定过程、步骤2：光探测存储过程、步骤三：光电流读出过程；（b）不同写电压条件下，275 nm光照引起的器件转移曲线变化；（c）不同写电压条件下，读出光电流随栅压的变化关系，展现出读出光电流最高可达3.4 μA（响应度为337.8 AW^-1）；（d）栅压为20 V和-20 V条件下，读出光电流（红色）和光电开关比（蓝色）随写电压的变化关系

图3 感寸一体光电探测器的工作机理。（a）原位光电EELS表征方法示意图；（b）WSe₂/h-BN/SiO₂结构断面的原位光电EELS线扫位置；（c）光电探测前后，原位光电EELS线扫得到的h-BN体内和h-BN/SiO₂界面的等离子体峰位分布；（d,e）不同写电压的光电探测过程中，器件的能带结构示意图及其电荷存储机理；（f）器件读出光电流随光子能量（波长）变化的实验结果（蓝色散点）与理论推导拟合（红色虚线）；（g）器件读出光电流随光照强度变化的实验结果（蓝色散点）与理论推导拟合（红色虚线）

图4 感存一体光电探测器中光电信号的动态切换和非易失存储特性；（a）正负交变的写电压条件下，光电信号的动态切换特性；（b,c）正负写电压条件下，器件中存储的光电信号随时间的变化，外推预测出广电信号的存储时间超过10年，可与目前商用的非易失存储器的存储性能相比拟

北京航空航天大学博士研究生李松宇和北京工业大学博士研究生张泽宇为该论文的共同第一作者，北京工业大学的张永哲教授、卢岳副研究员和北京航空航天大学的刘发民教授为该论文的通讯作者。

作者简介

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张永哲，北京工业大学国家示范性微电子学院教授、博士生导师，国家自然科学基金委优秀青年基金、北京市自然科学基金委杰出青年基金获得者，入选北京市海外高层次引进人才、北京市青年拔尖、北京市科技新星等人才项目，从事半导体光电器件物理方面研究工作，包括光电探测器和硅基异质结太阳能电池，迄今为止，在Nature Energy, Nature Communications, Nano Letters等权威期刊发表SCI论文120余篇，被引用3000余次，申请专利50项，授权20项。

卢岳，北京工业大学固体微结构与性能研究所副研究员、博士生导师，长期从事原位电子显微学研究，及光-电-催化材料的反应失效机理探索。在国家自然基金面上基金、青年基金等项目的资助下，独立研发原位光电引入式液气相环境电子显微镜样品杆测试平台。基于该平台，该团队在原位电镜观察光催化水裂解产氢、光照下钙钛矿材料降解及电催化反应中催化剂微结构演变等方面取得了一系列重要科学进展。迄今为止，在Nat. Commun., Appl. Catal. B-Environ., ACS Nano, Chem. Eng. J., Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A等国际期刊发表SCI论文40余篇。课题组欢迎具有物理学、化学及计算科学等背景的学生及研究人员加入！

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107734

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