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近日，复旦大学智能机器人与先进制造创新学院超越照明研究所在国际权威期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院一区TOP）上发表研究成果：Wavelength-Selective Synaptic Devices Based on Graphdiyne/WSe2 for Multi-Color Image Recognition and Neuromorphic Computing。该工作的第一作者及共同通讯作者为超越照明研究所唐红雨青年副研究员，浙江工业大学未来技术研究院李剑研究员为共同通讯作者。复旦大学为第一通讯单位，荷兰代尔夫特理工大学、浙江工业大学、河北工业大学参与合作研究。该工作得到了复旦大学FDUROP望道项目、上海市碳化硅功率器件工程研究中心项目以及浙江工业大学研究项目的资助。
01 论文简介
人工智能产生的大量数据推动了对高性能内存和处理器设备的需求。传统的冯・诺依曼计算机由于处理单元和存储单元之间的物理分离，导致计算速度受限、能耗增加。神经形态计算受人脑启发，在涉及复杂学习、识别、感知和记忆的任务中具有容错性高、运算快和功耗低等特点。具有超薄结构和优良光电特性的二维材料在光电神经形态器件中显示出巨大的潜力，通过构建二维材料异质结构能够改善光吸收能力，并增强异质界面的载流子输运能力。然而，多数二维材料异质结的制备仍然局限于干法/湿法转移工艺，往往造成材料褶皱或形成大量缺陷，影响器件光电响应性能。
为了解决这一难题，本研究采用原位法在二维材料二硒化钨（WSe2）上直接合成石墨炔纳米墙（GDY nanowalls，简称GDY NWs），构筑GDY NWs/WSe2异质结，从而有效减少了因界面褶皱和缺陷引起的载流子输运缓慢，提高了器件的响应度，并进一步实现了光电突触特性及类脑计算应用。其核心亮点包括：
（1）原位制备的GDY NWs/WSe2异质结构展现出感知-存储-计算等多功能集成特性。
（2）该器件实现了自供电宽谱光检测性能，具有高达2176 A/W的高灵敏度和约3.6×1012 Jones的探测率。
（3）在多色彩系统中实现100%分类准确率，展现了实时自适应视觉系统的潜力。
02 研究进展
图1. GDY NWs/WSe2器件的光电探测性能。（a）GDY NWs/WSe2器件结构示意图。（b）器件的自供电宽谱光检测性能。（c）已报道的基于GDY和二维材料的光电探测器光电响应率及探测率性能对比图。GDY NWs/WSe2器件无需栅压调控仍具有高光电响应率及探测率。
图2. GDY NWs/WSe2器件的光电突触性能。（a）施加突触前光信号会产生突触后电流（PSC），进而实现了长时程（LTP）和短时程（STP）突触可塑性。（b）在持续光输入下，PSC持续上升，促进载流子从浅能阱向深能阱迁移。（c）器件的双脉冲易化（PPF）指数。（d）波长相关的光电突触性能。（e）“学习-遗忘-重新学习”测试，以模拟人类记忆过程。这一现象与认知过程相平行，即人类重新学习遗忘信息所需时间更短，且此类重新学习显著提升记忆稳定性。
图3. GDY NWs/WSe2光电突触的工作机理。（a-b）GDY/WSe2异质结中的电荷分离机制。（c）II型能带对齐结构。（d）GDY和WSe2的吸收光谱图（e）在光脉冲照射下，大量激发电子从WSe2的导带转移至GDY，同时GDY/WSe2界面处的内建电场驱动GDY的价带空穴进入WSe2。
图4. GDY NWs/WSe2光电突触的光电自适应时间特异性与图像传感性能。
在应用方面，首先通过4位脉冲序列（关闭和开启分别用“0”和“1”表示）分析了器件的自适应时间特异性。在不同波长下，时间信号以非线性方式映射到储能状态，这增强了进一步时间脉冲序列训练和识别的潜力。其次，采用GDY NWs/WSe2器件作为成像像素构筑可见光成像器原型，字母“F”（红色，635 nm）、“D”（绿色，532 nm）和“U”（蓝紫色，405 nm）的多色图像清晰可见。未来通过与阵列制造技术及颜色处理算法的集成，有望实现模拟传统相机的全彩色阵列传感器。
图5. GDY NWs/WSe2光电突触的类脑视觉感知性能。
类脑视觉感知应用。基于Iph-Pin曲线在405nm、532nm和635nm照明条件下，构建了一个由5个卷积层和激活层组成的卷积神经网络（CNN）分类器，用于蓝紫色、绿色和红色下的‘F’、‘U’、‘D’、‘A’和‘N’，多彩多字母图像识别。最终，三种颜色的五个字母成功分类，准确率为100%，这证明了GDY NWs/WSe2光电突触的高精度图像识别能力。
03未来展望
本研究基于波长依赖的存储池动力学使得空间-时间信号的有效分离和处理成为可能，从而支持基于人工神经网络的图像识别等高级任务。凭借其优异的光检测、自适应学习和图像感知能力，该器件在神经形态计算、智能成像以及波长选择性光检测技术等未来应用领域具有巨大潜力。未来的研究可进一步沿着“新材料-新结构-新机理-新应用”的研究路径，重点突破传统的冯·诺依曼架构瓶颈，实现低功耗高容错能力的神经形态计算与感存算一体化应用。
文章信息：
Hongyu Tang*, Weiqi Shi, Wanlin Jiang, Gaoyuan Wang, Mengyuan Tang, Zihao Cai, Ruiteng Li, Shuai Wu, Guoqi Zhang, Jian Li*,Wavelength-Selective Synaptic Devices Based on Graphdiyne/WSe2 for Multi-Color Image Recognition and Neuromorphic Computing,Chemical Engineering Journal 517 (2025) 164215.
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164215
延伸阅读
超越照明研究所整合复旦大学、上海市以及国内外半导体领域和照明优秀人才和软硬件资源，为我国信息与电子、生物、医疗、光电子等领域高新技术产业的发展创造先机，重点突破新型材料与器件、宽禁带与超宽禁带半导体器件、光医疗健康及相关照明光电子核心理论和关键技术，拥有电子电力和光电子应用平台，获批上海碳化硅功率器件工程技术研究中心及校企联合实验室。
研究团队围绕“新型微纳器件”这一主题开展了交叉创新研究，相关学术成果发表在Advanced Science、Chemical Engineering Journal、Laser & Photonics Review和Journal of Materials Chemistry A等国内外权威期刊。
