Te/Si混合维度范德华异质结在人工仿生视觉器件中的突破与应用

《ACS Omega》：Te/Si Mixed-Dimensional van der Waals Heterojunction for Artificial Bionic Visual Devices

本文报道了一种基于二维Te/三维Si混合维度范德华异质结（MDHJs）的人工仿生视觉器件，通过热释电效应实现了宽带探测（254–1680 nm）和快速响应（200 μs）。该器件模拟人眼视网膜的视觉适应行为，在光照突变时输出电流呈现先抑制后增强的动态变化，为机器视觉系统提供了微秒级自适应能力，显著降低了复杂算法和电路的需求，在自动驾驶、医疗成像等领域具有重要应用前景。

　　

引言

人类视网膜中的光感受器（视杆细胞和视锥细胞）通过双极细胞和水平神经元形成的反馈抑制回路实现视觉适应功能，使眼睛在明暗环境切换时自动调节感光灵敏度。然而，这种生物调节过程存在显著的时间滞后性，在突发强光环境下可能引发交通事故等风险。当前机器视觉系统虽在图像识别精度上取得突破，但难以适应光照条件变化，需依赖复杂算法实现动态调节。

二维材料因其优异的静电掺杂特性、快速光响应和铁电性质，成为仿生视觉传感器的理想候选材料。但现有基于MoS₂、InSe等材料的仿生器件多依赖缺陷调控或栅压调制，视觉适应过程长达数分钟，且器件结构复杂。本研究通过范德华集成技术构建Te/Si混合维度异质结，利用热释电效应突破现有技术瓶颈。

结果与讨论

器件结构与表征

通过水热法合成的二维Te纳米片（厚度约10 μm）与n型硅基底形成异质结。拉曼光谱显示Te纳米片存在A₁^1g（117.1 cm^–1）、E_1g（89.6 cm^–1）和E_2g（137.7 cm^–1）特征峰，XRD谱中27.5°处的（101）晶面衍射峰证实其六方晶系结构。紫外-可见吸收光谱表明Te纳米片在200–2300 nm波段具有宽谱吸光能力，有效扩展了硅基探测器的近红外响应范围。

光电性能与仿生机制

在零偏压条件下，Te/Si器件在254–1680 nm波段均出现瞬态光电流响应。当980 nm激光（功率207 mW）开启时，电流在200 μs内迅速达到峰值（I_pte+pho），随后因温度趋于稳定而下降至稳态光电流（I_pho）；激光关闭时则产生反向电流峰（I_pte′）。这种先抑制后增强的电流变化模拟了人眼从暗环境进入亮环境时的瞳孔收缩适应过程，响应时间（200 μs）与人类视觉神经反应速度相当。

通过能带结构分析可知，当光子能量高于Te或Si的带隙（E_hν> E_Si）时，异质结内建电场通过光伏效应分离光生载流子；当E_Te< E_hν< E_Si时，仅Te层产生光电流，从而扩展探测波长。对比实验排除了体光伏效应的主导作用，证实热释电效应是瞬态响应的核心机制。

性能比较与应用前景

Te/Si异质结在980 nm光照下的响应度达8.96×10^–4mA/W，3 dB带宽为175 Hz（f_3db≈ 0.35/τ_rise）。与Te/WSe₂、Te/MoTe₂等同类器件相比，其响应速度提升至少一个数量级。该器件可模拟视觉神经中“on/off”双通路信号传输，为构建低功耗、高自适应性的仿生机器视觉系统提供新方案。

实验方法

Te纳米片通过水热法以200°C反应15小时合成，纯化后转移至硅基底制备异质结。电学测试采用Keithley 2450源表，结构表征涉及TEM、XRD、拉曼光谱等技术。

结论

Te/Si混合维度范德华异质结通过热释电效应实现了宽带快速光电响应，其动态电流行为高度模拟人类视觉适应机制，为开发新一代人工仿生视觉器件奠定了材料基础。