全光控铁电异质结双向极化切换在神经形态与存内计算中的突破

《Advanced Science》：All-Optical Control of Bidirectional Polarization Switching in Ferroelectric Heterostructures for Neuromorphic and In-Memory Computing

这篇综述报道了在CuInP2S6/MoS2范德华异质结中实现波长可调的全光控双向铁电极化切换机制。通过光生载流子与铁电畴的相互作用，该器件实现了非易失性存储（on/off比>10，耐受104次循环）、视网膜启发的突触可塑性（如PPF/PPD、LTP/LTD）及可重构布尔逻辑门（AND/OR/NAND/NOR），为集成光电子存内计算提供了新平台。

　　

全光控双向极化切换机制

研究团队在铁电材料CuInP₂S₆（CIPS）与半导体MoS₂构成的范德华异质结中，首次实现了波长依赖性双向极化切换。通过接触共振压电响应力显微镜（PFM）直接观测到：660 nm长波长光照诱导极化向上切换（P_up），而450 nm短波长光照触发向下切换（P_down）。其物理机制源于两种波长依赖的载流子动力学：当光子能量低于CIPS带隙（≈2.8 eV）时，MoS₂中光生电子在界面处屏蔽正极化电荷，稳定P_up态；高于带隙时，CIPS与MoS₂共同光生载流子，空穴积累促进P_down态形成。

全光非易失性存储性能

基于该机制的光学铁电场效应晶体管（optical-FeFET）展现出卓越的存储特性：在0.5 V偏压下，开关比超过10，保持时间>10⁴秒，耐受性>10⁴次循环。通过调节660 nm光照强度（3.33-5.73 mW·cm^-2），可实现2比特多级存储（4个离散电导态）。相较于需电学擦除的混合方案，此全光操作避免了电荷俘获与疲劳效应。

视网膜启发突触功能模拟

器件成功模拟生物突触的核心特性：

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  短时可塑性（STP）：配对脉冲促进（PPF）与抑制（PPD）指数分别达170%与128%，弛豫时间常数呈双指数衰减（τ₁=1.04 s, τ₂=3.39 s）。
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  长时可塑性（LTP/LTD）：64次光脉冲（0.5 Hz）诱导电导动态范围达24.2倍，且连续4周期循环保持稳定。
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  高级学习行为：实现刺激频率/数量依赖可塑性（SFDP/SNDP）及“学习-遗忘-再学习”行为，二次遗忘速率显著减缓，体现经验强化效应。

神经形态图像识别应用

通过NeuroSim+框架仿真400-100-10结构的人工神经网络（ANN），基于实验测得的非线性因子训练MNIST手写数据集。结果显示，器件突触权重使识别准确率超90%，接近理想 synapses（96%）。波长选择性LTP/LTD特性进一步支持了图像预处理与识别的一体化集成。

全光可重构逻辑存内计算

单一器件通过光编程信号与逻辑输入的组合，实现了AND、OR、NAND、NOR布尔逻辑门：

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  模式1：以450 nm为预编程信号，660 nm为输入时，可实现OR（无预编程）与AND（有预编程）门。
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  模式2：以660 nm为预编程信号，450 nm为输入时，可重构为NOR（无预编程）与NAND（有预编程）门。
  输出电流阈值设定（25-50 nA）确保逻辑状态可靠分离，50次循环统计验证操作稳定性。

结论与展望

该工作突破了铁电器件仅支持单向光控极化的限制，通过能带工程与界面电荷调控，将传感、存储与处理功能集成于单一架构，为高能效光电子存内计算系统提供了可行路径。