J9九游官方网站 - 魏兴战秦天石Device：一种响应波段自分辨的“全在一”光

　　J9九游官方网站 - 魏兴战秦天石Device：一种响应波段自分辨的“全在一”光电逻辑器件基于电子的逻辑运算是现代计算机处理系统的基础。然而，随着半导体集成电路尺寸的不断缩小，互联串扰以及电阻焦耳热等问题愈发明显。近年来，光电逻辑运算（optoelectronic logic operation）的提出，为解决电子逻辑运算面临的难题提供了新思路。利用光子传输信号，可以有效减小互联信号的串扰，并消除电路互联中电阻引起的焦耳热影响。

　　近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院的魏兴战研究员团队联合南京工业大学秦天石教授等，在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了一篇文章，题目为“An All-in-One Optoelectronic Logic Device with Self-Distinguishable Dual-Band Photoresponse”。该研究提出了一种响应波段自分辨的“全在一”光电逻辑器件。通过在紫外波段和近红外波段产生可调谐的双方向光电流（即正光电流和负光电流），从而自动识别入射光的波段。这一特性极大增强了器件电信号的光学调控自由度，使其能实现三种逻辑状态和五种基本逻辑运算。相关研究结果为开发高集成、多功能的光电逻辑器件提供了重要的参考。

　　提出了钙钛矿-石墨烯-锗“三明治”异质结的光电逻辑器件结构设计，实现了响应波段的自分辨区分。

　　所制备器件的光电流方向会随入射光波段变化而翻转，其正负响应度范围覆盖+10 4 A/W到-800 A/W。

　　在单个器件中演示了多种光电逻辑运算功能，包括“-1”、“0”和“1”三种逻辑状态，“与”、“或”、“非”、“与非”和“或非”五种基础逻辑功能。

　　作为光电逻辑运算的核心，光电探测器能够将光信号转化为电信号，并进一步用于获得可处理的数字信号。传统光电探测器通常产生方向单一的光电流，导致相关的光电逻辑器件只能实现单个逻辑功能，需要增加额外的电路布局来扩展其逻辑功能。针对这一挑战，本论文提出了响应波段自分辨的光电逻辑器件结构，获得了与入射光波段相关的双方向光电流，并在单个器件上实现了多种逻辑运算功能（图1）。

　　响应波段自分辨光电逻辑器件由钙钛矿-石墨烯-锗“三明治”异质结组成，其中，上层钙钛矿用于吸收紫外光，下层锗则吸收近红外光，位于钙钛矿和锗层之间的石墨烯层起到连接的桥梁作用，它不仅读取来自于钙钛矿和锗层的垂直方向光响应信号，还将这些信号沿水平方向输送至电极。该器件的双向光电流与石墨烯费米能级的变化规律有关（图2）。具体来说，在近红外光照下，光照引起的背栅调制效果增强使石墨烯费米能级上升，该器件输出负光电流（negative photocurrent，NPC）。在紫外光照下，光生空穴的注入使石墨烯费米能级下降，该器件输出正光电流（positive photocurrent，PPC）。

　　图 2 响应波段自分辨光电逻辑器件概览。左图：器件结构示意图。右图：该器件在近红外和紫外光照下的工作机制示意图。

　　为了精确表征该光电逻辑器件的双向光响应性能，研究团队依次使用紫外（375 nm）和近红外（1550 nm）激光照射该器件（图3 (a)），并记录输出光电流。根据测试结果可以看到（图3 (b)），当入射光波长从375 nm变为1550 nm时，光电流方向从“正”变为“负”。此外，如图3(c, d)所示，该器件在375 nm和1550 nm光照下的最高响应度达到了+10 4 A/W和-800 A/W，表明该器件能够高效地将光信号转化为电信号。

　　图 3 响应波段自分辨光电逻辑器件的双方向光响应。(a) 双方向光响应的测试过程示意图。(b) 该器件响应紫外和近红外光的I-T曲线。插入图：黑暗环境下的I-V曲线。(c, d) 紫外和近红外光照下，随光功率密度变化的光电流和响应度。

　　为了验证该器件的光电逻辑运算功能，搭建了一个以该器件为核心，包括紫外（ultraviolet，UV）光源、近红外（near-infrared光电器件，NIR）光源、信号采样电路、上位机以及双色发光二极管（light emission diode，LED）的演示系统（图4）。当UV光入射时，双色LED灯发蓝光；当NIR光入射时，双色LED灯发绿光；当没有光入射时，双色LED灯不发光（相应的演示视频可见支撑材料）。双色LED的这三种状态，即没有灯亮、蓝色灯亮和绿色灯亮，分别对应“0”、“1”和“-1”三种逻辑状态。

　　此外，该光电逻辑器件还能够执行“与-AND”、“或-OR”、“非-NOT”、“与非-NAND”和“或非-NOR”五个基础逻辑功能（图5 (a)）。在执行“非”、“与非”和“或非”运算时，使用了UV光作为调制信号（图5 (b-d)）。另外，使用NIR光作为调制信号，可实现“或”和“与”运算（图5 (e, f)）。值得强调的是，这种利用调制光切换逻辑功能的方法具有可逆性和重复性的优点。此外，该技术不需要依赖于复杂的外部电路设计，为在单个器件上实现多种光电逻辑运算提供了一种高效且巧妙的解决方案。

　　图 5 光电逻辑运算演示。(a) 五个基础逻辑运算的真值表。(b-f) 响应波段自分辨光电逻辑器件分别执行“非”、“或非”、“与非”、“与”和“或”运算时所输出的I-T曲线。输入光信号的“开”（红色或紫色点）和“关”（黑色点）状态分别代表逻辑状态“1”和“0”。当输出电流高于阈值电流时，将其标记为逻辑状态“1”（向上箭头），否则标记为逻辑状态“0”（向下箭头）。阈值电流（橙色虚线 mA，对应该器件的暗电流。

　　为加强科研合作，我们为海内外科研人员专门开通了钙钛矿科创合作专业科研交流微信群。加微信群方式：添加编辑微信pvalley2024、pvalley2019，备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群。