基于离子二维半导体CuInP(2Se)6的可重构光伏器件，用于多功能图像处理

《Materials Today》：Reconfigurable ± photovoltaics based on ionic 2D semiconductive CuInP 2Se 6 for multi-functional image processing

二维离子半导体CuInP2Se6（CIPSe）通过可逆Cu离子聚集实现±17高调制的复配置光伏效应，结合半导体特性在低光功率下完成边缘图像处理，为神经形态计算提供高能效光电子器件。

　　

孙玉杰|张荣杰|魏强|刘家荣|张云浩|范家义|刘碧璐|程慧明

深圳Geim石墨烯中心，深圳先进层状材料增值应用重点实验室，广东省高等教育机构电催化材料与绿色氢技术重点实验室，清华大学深圳国际研究生院材料研究所，中国深圳518055

摘要

二维（2D）材料由于具有可重构的光伏效应，在神经形态视觉应用中展现出巨大潜力。光伏器件的高可重构性需要可控的离子积累和半导体特性，这还有待进一步探索。本文利用离子型二维半导体CuInP₂Se₆（CIPSe）制备了一种两端器件，实现了多态可重构光伏效应。在电场作用下，Cu离子会发生可逆聚集，从而形成PN/NP结构。结合可控的Cu离子聚集和半导体特性，CIPSe器件能够实现高达17级的可调光伏状态，优于以往的研究成果。此外，CIPSe器件阵列表现出良好的光伏响应均匀性，并通过离子操作实现了多功能边缘提取。这项工作展示了离子型二维半导体CIPSe作为高性能两端可重构光伏器件在神经形态计算中的巨大潜力。

引言

神经形态视觉网络在发展未来的人工智能系统中发挥着重要作用，例如自主系统、物体检测和决策制定。[1,2,3,4,5] 然而，基于冯·诺依曼架构的传统神经形态视觉网络可能无法有效支持大数据技术的进一步发展。主要原因在于该架构中传感单元与处理单元分离，导致大量数据传输时产生时间延迟和能量消耗。[6,7] 为此，非冯·诺依曼架构硬件被视为模仿人类视觉系统的有希望的选择，既能实现高计算效率，又能提高能源效率。[8] 此外，人类视觉系统具有高度的可重构性。设计可重构的光电特性对于实现硬件的多功能图像感知和处理至关重要。[9,10]

二维（2D）半导体在可重构视觉硬件设计中具有巨大潜力。[11,12,13] 它们的电学可调性和强光-物质相互作用为器件光响应的可重构调制提供了可能性。[14,15,16,17,18,19,20] 例如，张等人使用WSe₂作为黑磷晶体管的光浮栅，实现了基于光载流子捕获的光电导变化，这是栅控效应和光电效应的协同作用结果。然而，由于偏压依赖的暗电流，其功耗相对较高。[22] 基于离子聚集实现可重构光伏效应的二维半导体器件是一个有前景的方向，但可重构状态仍有待改进。[23] 为了解决这一问题，研究离子型二维半导体中的内在离子聚集与半导体特性的结合非常重要，这也比传统二维器件更具优势。[24] 首先，可以直接操控内在离子在器件通道中积累电荷，调节内置电场；其次，半导体特性使器件能够对光输入作出响应。因此，这不仅提供了实现可重构光伏的可能性，还降低了器件复杂性。据我们所知，这类材料的研究较少。

本文报道了一种基于CuInP₂Se₆（CIPSe）的可重构光伏器件。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）结果显示，CIPSe中的Cu离子会发生可逆聚集，通过电极化形成PN/NP结构。结合半导体特性和内在离子聚集，CIPSe器件实现了高达17级的可重构光伏状态，在已报道的两端光伏器件中表现突出。此外，CIPSe器件在低光功率（<1 mW/cm²）下仍能保持良好的光伏性能。此外，还制备了CIPSe光伏器件阵列，并实现了多功能图像处理。CIPSe器件在真实场景下的图像感知和计算方面具有巨大潜力，凸显了内在离子型二维半导体在设计未来功能性器件中的重要性。

章节摘要

离子型二维半导体CIPSe中的可重构光伏器件设计

图1展示了基于内在离子型二维CIPSe的可调±光伏器件设计。电极化可促使CIPSe中的内在离子沿电场方向移动，从而产生不对称的离子聚集和内置电场。在光激发下，会生成电子-空穴对，光载流子的运动方向受内置电场控制，形成光伏信号。具体而言，左侧的离子聚集...

结论

在本研究中，我们展示了一种基于二维离子半导体CIPSe的高可重构光伏器件。利用内在Cu离子聚集调节PN/NP结构，半导体特性负责在光照下产生光载流子。通过结合内在Cu离子聚集和半导体行为，实现了高达17级的可重构光伏效应，优于以往的研究成果。

材料制备与器件制备

CIPSe薄片通过透明胶带从块状晶体（南京2DNANO科技有限公司）中剥离并转移到PDMS薄膜上。然后，通过光学显微镜筛选出目标2D CIPSe薄片，用于器件制备和表征。制备CIPSe器件时，首先在SiO₂/Si基底表面旋涂光刻胶（AR 600，2000 rpm，1分钟），随后进行烘烤处理（165 ℃，1分钟）。电极形状通过电子束图案化...

CRediT作者贡献声明

孙玉杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据管理，概念构思。张荣杰：撰写 – 审稿与编辑，实验研究，数据管理。魏强：撰写 – 审稿与编辑，实验研究，数据管理。刘家荣：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。张云浩：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。范家义：撰写 – 审稿与编辑。刘碧璐：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。程慧明：撰写 – 审稿与...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金杰出青年学者项目（52125309）、国家重点研发计划（2022YFA1204301）、国家自然科学基金（52188101和62404124）、广东省教育厅创新团队项目（2023KCXTD051）、深圳市基础研究项目（JCYJ20230807111619039和JCYJ20220818101014029）以及广东省自然科学基金的支持。