工程化范德华晶体实现光驱动学习的类神经元器件

成均馆大学（SKKU）机械工程学院金泰成教授带领的研究团队，开发出一种光电子突触器件，能够在单个器件尺度上模拟人类神经元和突触的关键功能。研究人员通过混合等离子体参与的单步硫化工艺，构建出一种工程化的范德华（vdW）晶体结构，使器件在光刺激下即可工作，为实现类脑计算的半导体材料提供了新的结构方案。

相关成果已发表在《Advanced Materials》期刊上。

光电子突触与神经形态视觉需求

随着人工智能和超连接技术的迅速发展，神经形态视觉系统需要能够实时感知并处理海量视觉信息。光电子突触器件可以对光信号产生电导变化，是这类系统中的核心元件。

层状范德华材料因其优异的光学特性和原子级厚度而备受关注，被视为构建光电子突触的有力候选。然而，传统范德华材料在实际应用中面临多重技术难题，例如：

• 晶界与插层结构难以精确控制；
• 聚合物残留易在界面累积；
• 界面存在机械翘曲问题；
• 难以在大面积范围内保持晶体均匀性。

利用生物膜与范德华晶格的结构类比

为突破上述限制，研究团队从生物膜中光敏离子通道与层状范德华晶格之间的结构相似性入手，提出新的材料设计思路。

研究人员对块体范德华二硒化铼（ReSe₂）施加氩气与硫化氢（Ar + H₂S）混合等离子体硫化处理。通过这一单步工艺：

• 材料的上层被转化为由纳米级晶粒构成的纳米晶 ReSe₂ 层；
• 下方块体单晶 ReSe₂ 层保持完好；
• 层间界面未被破坏，结构完整性得以维持。

这两层集成结构在功能上分别对应：

• 上层纳米晶 ReSe₂：类比神经元细胞膜中的光敏离子通道；
• 下层块体 ReSe₂：类比细胞内部环境。

整个制备过程无需额外的材料沉积或图案化步骤，工艺相对简化。

离子迁移与突触权重的精确调控

研究团队利用扫描探针显微镜（SPM）解析了 S²⁻（硫）离子的迁移路径。结果表明，纳米晶 ReSe₂ 层中的晶界在原子尺度上对硫离子的传输形成限制，从而实现对离子迁移的可控调节。

这种受晶界约束的离子迁移机制，使得器件能够以确定性的方式更新突触权重，类似于生物离子通道中的“门控”行为，有效抑制了传统器件中离子迁移的随机性问题。

器件表现出的类突触功能

该光电子突触器件展现出多种关键的突触特性，包括：

• 多级电导可调制；
• 长期增强/抑制（LTP/LTD）；
• 成对脉冲促进（PPF）；
• 可调控的短期记忆（STM）向长期记忆（LTM）转变。

在“学习–遗忘–再学习”的循环测试中，纳米晶 ReSe₂ 器件的保持效率相比块体 ReSe₂ 器件提升了 34.7%。

在系统级评估方面，该器件能够对自然图像进行边缘检测，并在 CIFAR-10 图像识别任务中实现 96.24% 的分类准确率。

面向下一代神经形态半导体与AI硬件

研究团队认为，这一成果为下一代神经形态半导体和人工智能硬件提供了新的材料与结构平台。

通讯作者金泰成教授表示：“本研究提出了一种单步设计范德华晶体结构的方法，用于制造能够依靠光来学习并存储信息的光电子突触器件。”

他补充道：“通过在结构层面解决传统器件中离子迁移随机性和界面不稳定等问题，这一架构有望应用于未来神经形态半导体和人工智能硬件的开发。”