随着人工智能、物联网和智能视觉技术快速发展，机器视觉系统不仅需要准确感知外界光学信息，还需要在有限的硬件资源和功耗条件下完成信息处理、特征提取与数据存储。传统机器视觉系统通常由光电探测器、处理器和存储器等多个独立单元组成，光信号需要经过多次转换和传输，不仅增加了系统复杂度和数据传输负担，也限制了器件集成密度与能源利用效率。将光电探测、神经形态计算和光学存储功能集成到单一器件中，是构建高集成度智能视觉硬件的重要发展方向。然而，不同功能对器件行为及其时间特性具有显著差异：光电探测要求光生电流快速产生并迅速恢复，人工突触需要具有可调控的短时记忆效应，而光学存储则要求信息能够长期稳定保持。如何在同一器件中有效调控光生载流子的产生、输运、俘获与释放过程，实现光响应时间尺度的连续调节以及探测、计算和存储模式的按需切换，仍是多功能集成光电子器件研究面临的关键挑战。

近日，松山湖材料实验室新型光电功能材料与器件团队林生晃研究员与湖南大学杨蓉教授、中山大学沐浩然副教授合作，构建了一种基于单层二硫化钼/溴化铅甲胺（MoS₂/MAPbBr₃）范德华异质结的栅压可编程多功能晶体管。相关成果以“Programmable van der Waals Heterojunction for Multifunctional Integration”为题发表于《SmartMat》（SmartMat, 2026, 7: e70096）。研究团队利用栅极电压调控异质结中的载流子输运与俘获过程，使同一器件能够在光电探测、人工突触和栅压辅助光存储三种工作模式之间可逆切换，并进一步开展了图像识别、运动轨迹追踪和储备池计算应用。

1、器件结构与栅压调控原理

图1. 栅压可编程MoS₂/MAPbBr₃异质结构的器件结构、工作模式及能带调控机制

研究团队首先在SiO₂/Si衬底上制备单层MoS₂，并在其表面构筑金源漏电极，随后将单晶MAPbBr₃微纳片精准转移至MoS₂沟道区域，形成垂直堆叠的MoS₂/MAPbBr₃范德华异质结。其中，MAPbBr₃主要承担光吸收和光生载流子产生功能，单层MoS₂则作为栅压高度可调的载流子输运沟道。通过改变栅极电压，同一器件可形成三种具有不同时间响应特征的工作状态：在正栅压下，器件工作于快速光电探测模式；在适度负栅压下，器件表现出具有短时和长时可塑性的人工突触行为；在更强负栅压并保持栅偏压的条件下，器件进入栅偏压辅助光存储模式。

2、光电探测、人工突触与光存储功能

图2. MoS₂/MAPbBr₃异质结的光电探测性能

在正栅压条件下，MoS₂沟道中的电子浓度增加，浅能级陷阱趋于被占据。MAPbBr₃吸收光子后产生电子—空穴对，光生电子快速转移至MoS₂并参与沟道输运。关光后，多余电子可迅速通过电极收集或与沟道中的空穴复合，使器件电流快速恢复至初始状态。在520 nm光照、栅压为+10 V、源漏电压为1 V的条件下，器件表现出明显的光电响应。在不同V_G条件下测得的输出特性表现出优异的栅极调谐能力。光电流的幅度随栅极电压升高而显著增强，呈现出明显的栅极依赖性。在栅极调制下，显著的开/关比（超过10⁶）为功能可重构提供了宽广的操作动态范围。在7.9 nW的低入射光功率下，响应度达到约2397 A W^-1，比探测率达到1.76×10¹⁰ Jones。器件的上升时间约为15 ms，下降时间约为2 ms，体现出较高的弱光探测灵敏度和快速复位能力。

图3. MoS₂/MAPbBr₃异质结的人工突触性能

当栅压调节至−20 V时，MoS₂沟道进入耗尽状态，异质界面的浅能级缺陷由占据状态转为空缺状态，并能够俘获光生载流子。关光后，被浅陷阱捕获的载流子在热激发作用下逐渐释放，使沟道电流缓慢恢复，从而形成类似生物突触的短期记忆和可塑性行为。研究团队在该模式下模拟了兴奋性突触后电流、双脉冲易化、短时可塑性向长时可塑性的转变，以及“学习—遗忘—再学习”等神经行为。当两次光脉冲的时间间隔为0.1 s时，双脉冲易化指数可达到188%。在“学习—遗忘—再学习”实验中，器件初次学习需要60个光脉冲，第一次和第二次重新学习分别仅需要22个和15个脉冲，表现出类似生物神经系统经验积累和再学习加速的特征。

图4. MoS₂/MAPbBr₃异质结的栅压辅助存储性能

进一步将栅压调节至−40V后，强负栅压使MoS₂进入深度耗尽状态，并激活异质界面中的深能级缺陷。深能级陷阱、增强的界面电场以及MAPbBr₃中的离子迁移共同提高了载流子的束缚强度。光照结束后，器件电流在保持栅偏压的条件下可维持超过500s，并能够通过不同强度或不同数量的光脉冲写入多个可区分的电导状态。器件还实现了光写入与电擦除的独立控制。在超过1000s的循环测试中，尽管电流水平出现一定衰减，基本的写入—擦除功能仍能稳定保持。此外，光电探测模式经过1248次开关循环后仍具有清晰的响应，说明该异质结构具有一定的运行耐久性。

3、基于栅压编程的储备池计算

图5. 脑启发式光电储备池计算

研究团队构建了光输入储备池计算系统。通过栅压调节，器件的弛豫时间常数可在约0.12—20.1 s范围内连续变化，形成具有不同记忆深度的物理储备池节点，在更强负栅压下获得的持续电导状态则可用于存储输出层权重。多时间常数并行储备池相较于单一时间常数结构，将分类准确率进一步提高约20%，同时避免了复杂的非线性训练过程。

4、结论与展望

本文系统构建了一种栅压可编程MoS₂/MAPbBr₃范德华异质结晶体管，通过栅极电场对费米能级、界面势垒、缺陷俘获及离子迁移行为进行协同调控，在同一器件中实现了光电探测、人工突触和栅压辅助光存储三种功能的可逆切换。与传统固定功能器件相比，该工作的重点并非单纯追求某一项光电性能指标，而是赋予同一异质结器件按需切换工作模式的能力。器件既可以快速感知光信号，也可以利用短时记忆进行时间信息处理，还可以在持续栅压辅助下保持多级光学信息，为“感知—计算—存储”功能的紧凑集成提供了新的硬件方案。

未来，通过进一步优化异质界面质量、降低暗电流、提高深陷阱分布的一致性，并降低器件工作栅压，有望提升光存储模式的器件良率和长期稳定性。同时，结合规模化二维材料生长、钙钛矿界面钝化及阵列集成技术，该类可编程异质结器件有望应用于自适应机器视觉、边缘智能、动态目标识别和传感器内信息处理等领域。

本文中，桂安（联培博士生）和宋宇韬为共同第一作者，松山湖材料实验室林生晃研究员、湖南大学杨蓉教授以及中山大学沐浩然副教授为论文共同通讯作者。该工作得到了松山湖材料实验室开放研究基金（2023SLABFK09）、国家自然科学基金（92477102、62122084）、国家重点研发计划（2022YFB4400100、2021YFA1202902）以及广东省基础与应用基础研究基金（2021B1515120034）的重点支持。

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撰稿：新型光电功能材料与器件团队