《Advanced Science》：Optoelectronic-Driven van der Waals Ferroelectric Materials-Based Memory Devices for Retinomorphic and In-Sensory Hardware
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这篇综述系统梳理了二维（2D）范德华（vdW）铁电材料在构建集成感知、存储与计算功能于一体的光电神经形态视觉传感器方面的前沿进展。文章深入探讨了以α-In2Se3、CuInP2Se6（CIPS）、SnS等为代表的二维铁电半导体的极化机制、光驱电导调制及其在实现类生物突触可塑性（如短/长期增强/抑制，PPF/LTP/LTD）、传感内计算（in-sensor computing）等方面的器件结构与工作原理。该文旨在为克服传统冯·诺依曼架构的瓶颈、开发下一代高能效仿生视觉系统提供全面的材料与器件视角。
1 引言
人工智能、边缘计算和交互机器人等领域数据密集型应用的快速扩张，推动了对能够模拟生物感知与认知的硬件架构的深入研究。传统的冯·诺依曼架构因传感、存储和计算单元的物理分离而存在根本性瓶颈，导致数据传输过程中产生过高的延迟和功耗。为克服这些限制，传感内计算和存内计算范式被提出，其目标是在同一物理域内完成感知和计算。在众多新兴材料体系中，二维铁电体因其可切换的自发极化、原子级厚度以及与光、电刺激的强耦合能力，作为实现此类架构的关键使能材料而受到广泛关注。
自首次在α-铟(III)硒化物（α-In2Se3）、铜铟硫代磷酸盐（CuInP2S6， CIPS）等范德华层状晶体中发现铁电性以来，二维铁电体重新定义了纳米尺度下极化稳定性的物理极限。与传统的钙钛矿铁电体在低于临界厚度时会因退极化场而失去极化不同，二维铁电体得益于其无悬挂键的表面和弱层间耦合，即使在单层极限下也能保持稳健的偶极排列。它们固有的半导体或金属特性进一步允许与光电器件的无缝集成，为能够同步感知、存储和处理光学信息的设备创造了机会。
与此同时，二维过渡金属二硫属化物（2D TMDCs）如二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）等已表现出卓越的光-物质相互作用。将铁电极化与这些光电二维材料结合，可产生能够实现非易失性光学调制和记忆保持的混合异质结构。在MoS2和WS2沟道中的铁电栅控已实现了类似于生物视觉中观察到的突触增强和抑制的持续光电导和光学可塑性行为。此类铁电-光电突触弥合了光电探测与神经形态处理之间的鸿沟，为具有自适应学习功能的仿生视觉传感器铺平了道路。
这些系统的核心在于铁电极化切换机制，它调制了光敏沟道中的载流子浓度、势垒高度和复合动力学。根据晶体对称性，二维铁电体可表现出面内、面外以及相互耦合的极化。例如，α-In2Se3表现出耦合的面内和面外偶极子，增强了电荷分离效率。CIPS则具有稳定的面外极化，适用于垂直架构。这些结构各向异性使得通过极化反转和界面能带对齐调谐，能够精确控制光诱导电导和记忆行为。
基于二维铁电体的光电视觉传感器利用光激发和铁电极化之间的协同相互作用，来模拟视网膜的时空处理功能。在此类器件中，光脉冲诱导的光生载流子的输运受到铁电层极化状态的调制，产生类似于突触反应的兴奋性突触后电流和成对脉冲易化。此外，铁电畴的非易失性允许将光学刺激保留为剩余电导状态，实现长期增强和长期抑制。这些行为共同为神经形态视觉感知奠定了基础，使得模式识别和联想学习能够在传感器层面直接进行，而无需外部计算。
尽管如此，在二维铁电材料能够广泛应用于实际视觉传感器之前，仍存在若干挑战。首先，大面积二维铁电薄膜的可扩展性和均匀性需要通过化学气相沉积或分子束外延等可控合成方法来改进。在重复的光学和电学循环下，极化的稳定性必须得到增强，以防止疲劳或畴钉扎。此外，铁电-半导体界面处精确的能带对齐工程对于抑制陷阱介导的复合和保持高光响应性至关重要。最后，实现二维铁电突触阵列与互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的三维集成，对于高分辨率、高能效的人工视觉硬件至关重要。
2 二维铁电体的材料图景
在原子级薄的范德华晶体中发现本征铁电性，彻底改变了人们对极化现象的传统理解。在CuInP2S6（CIPS）和α-In2Se3中可切换极化的早期观察表明，即使材料厚度减少到仅几个原子层，长程偶极有序也能持续存在，从而推翻了退极化场在纳米尺度不可避免地会淬灭铁电性的经典观念。此后，一个广阔的材料图景已经出现，不仅包括层状硫属化物，还包括第四族单硫属化物、表现出滑动铁电性的过渡金属二硫属化物以及钙钛矿衍生的纳米片。
2.1 代表性二维铁电体系
在开创性的二维铁电体中，CIPS是表征最彻底的材料之一。其铁电相变约为320 K，属于有序-无序类型，源于亚稳态位点之间热激活的铜离子迁移。压电响应力显微镜研究已证实其在低至4纳米薄片中仍具有稳定的极化切换。α-In2Se3是另一个基石材料，在单个五重层单元内同时表现出面内和面外极化分量。其非对称堆叠序列打破了反演对称性，产生了能够双轴极化的非中心对称晶格。第一性原理计算预测其具有极低的单位晶胞切换势垒，实现了与经典钙钛矿铁电体相当的低电压极化反转。通过同时进行的二次谐波产生和压电响应力显微镜测量，实验上证实了其铁电性可下至单层极限，使其成为迄今为止报道的最薄的本征铁电体。
第四族单硫属化物，如SnS、SnSe、GeS、GeSe，形成了另一个重要的二维铁电体家族，以其类似黑磷的褶皱正交晶格为特征。沿扶手椅方向缺乏镜面对称性会诱导出自发的面内极化，该极化可通过单轴应变或外部电场进行切换。过渡金属二硫属化物，如MoTe2、WTe2，最近被认为是滑动铁电性的宿主，这是一种不同于传统离子位移的机制。在菱面体双层MoTe2中，相对的层间平移打破了反演对称性并产生可逆的面外偶极。这种滑动铁电TMDCs的极高居里温度（>650 K）和机械鲁棒性使其特别适用于在苛刻条件下运行的集成存储器和逻辑应用。最后，源自层状氧化物的铁电钙钛矿纳米片代表了一类补充性的类二维铁电体。
2.2 极化切换动力学
极化切换的方向和动力学控制着二维铁电器件的功能设计。在诸如CIPS和α-In2Se3等面外系统中，极化的垂直分量直接调制铁电场效应晶体管（FeFETs）中的沟道电位，或控制铁电隧道结（FTJs）中的隧穿势垒。相反，面内铁电体如SnS和SnSe自然适用于横向架构，铁电畴壁可以充当导电沟道，极化反转可以通过机械力或面内电场驱动，从而实现低功耗、柔性的器件几何结构。
重要的是，某些材料中面内和面外极化的相互关系允许多轴控制。在α-In2Se3中，垂直电场诱导两个分量的同步重新取向，提供了适用于神经形态突触和多级存储器的双稳态甚至多稳态极化状态。
2.3 二维铁电体中的光学和激子耦合
除了纯电学功能外，二维铁电体被打破的反演对称性赋予了它们强烈的非线性光学响应以及极化和光吸收之间的显著耦合。这些材料在可见-近红外范围（1–2.5 eV）表现出直接带隙，并且由于介电屏蔽减弱而承载紧密结合的激子。自发极化的存在打破了空间反演，产生了体光伏效应和其他偏移电流现象，其效率可以超过传统p-n结的肖克利-奎伊瑟极限。在CIPS和α-In2Se3中，极化反转会翻转光电流的方向，为自供电光电探测和光学存储提供了内在机制。铁电对激子解离的控制还导致与石墨烯或TMDCs的混合异质结构中产生极化可调的光致发光和增强的光响应性。这种极化-光子耦合为类视网膜计算奠定了基础，其中光学传感和记忆共存于同一个铁电器件层内。
2.4 稳定性、居里温度与疲劳行为
在原子厚度下保持铁电有序是范德华铁电体相对于传统氧化物的最显著优势之一。钙钛矿薄膜通常在低于约5纳米时失去可切换的极化，而像CIPS和α-In2Se3这样的范德华材料，由于其固有的范德华间隙有效地屏蔽了退极化场并消除了本会钉扎表面电荷的悬挂键，即使到单层也能保持铁电性。CIPS的居里温度保持在320 K附近，而α-In2Se3在远高于室温下仍保持稳定，滑动铁电TMDCs甚至在高达650 K时仍保持有序。然而，极端的厚度减薄（<3 nm）可能导致矫顽场减弱和局域畴钉扎，这可能在重复循环下引起部分极化疲劳。用惰性二维绝缘体（如六方氮化硼）进行保护性封装，或集成到全范德华异质结构中，已被证明能有效抑制环境退化，并将耐久性保持在106次循环以上。
2.5 用于光电存储与视觉系统的有前景的二维铁电体
二维铁电材料的最新进展已确定了几种材料平台，特别适用于光电存储器、神经形态计算和仿生视觉传感器应用。其中，α-In2Se3和CIPS已成为基准的面外铁电半导体，得益于其稳健的室温极化、可扩展至几层厚度的能力以及与范德华异质结构的兼容性。α-In2Se3提供了一个独特的优势，它支持耦合的面内和面外极化，能够实现对载流子传输的高效静电调制以及极化辅助的光生载流子分离。这些特性使得α-In2Se3特别适合于将传感、存储和计算集成在单一器件结构内的集成视觉传感器。CIPS在纳米尺度表现出稳定的可切换极化，并已广泛应用于铁电场效应晶体管、忆阻器件和光电突触。然而，其相对较大的带隙和有序-无序铁电性质可能会限制高速光电操作和光激发下的长期耐久性。滑动铁电材料及相关范德华系统构成了新兴的二维铁电体类别，其中极化源于层间堆叠不对称而非离子位移。这些材料表现出低切换能量、快速极化动力学和原子级厚度，使其对低功耗神经形态视觉硬件具有吸引力。然而，实际部署目前受到环境稳定性、大面积均匀性以及制造过程中层间滑动精确控制等挑战的限制。
总体而言，现有研究表明，没有一个单一的二维铁电平台是普遍最优的。面外铁电体如α-In2Se3、CIPS目前代表了光电存储和视网膜传感最成熟的候选材料，而滑动铁电体在超低功耗神经形态架构方面具有强大的长期潜力。
3 基于二维铁电体的仿生视觉传感器
人类视网膜在传感界面直接执行视觉预处理，如检测、适应和模式编码。模拟这种传感内计算已成为神经形态光电子学的核心目标，其中视觉信息在单个像素阵列内并发地被感知和处理。如图4所示，二维铁电材料由于其共存的光响应、非易失性极化以及与范德华器件集成的原子尺度兼容性，为实现这种仿生范式提供了一个优雅的平台。
3.1 器件工程策略与架构创新
基于前面章节讨论的铁电切换和极化-光载流子耦合机制，二维铁电光电视觉硬件的最新进展日益由器件工程创新而非重复的机制阐述所定义。在仿生视觉系统中，决定性的指标超越了光响应性，还包括低泄漏操作、多级可编程性、紧凑的像素架构和阵列级均匀性，所有这些都要求精心的异质界面和结构设计。相应地，最先进的演示强调了如何将铁电极化作为一种可编程的静电资源来利用，以在实际操作约束下重塑结势垒、调制内建场并稳定光电突触状态。一个主要的途径是极化可编程异质结设计，其中铁电半导体作为有源静电调制器，动态地重塑能带对齐和内建场。除了传统的异质结，相工程铁电异相结也推动了进展，其中通过相边界能带对齐强化了极化控制特性，为视觉模式记忆提供了一个新兴平台。与此同时，该领域正朝着结构简化的铁电p-n异质结发展，以实现紧凑几何结构内的超低功耗光可编程性，用于像素级的传感-记忆融合。最近，滑动铁电半导体将器件设计空间扩展到了超快和低功耗传感前端，用于在更广泛的二维铁电体家族中实现可重构、自供电和高速的神经形态光电探测。从更广泛的器件工程角度来看，最近的分析综述一致得出结论，铁电增强低维光电子学中最具影响力的进展是由异质界面设计、极化辅助接触或势垒工程以及泄漏抑制所驱动，从而同时提高了灵敏度、非易失性和能效。同样，新兴的二维铁电器件路线图日益集中于传感内和存内计算架构，其中极化可编程性被转化为电路兼容的元件，如两端光电突触和能够进行多级电导调谐的多端铁电光电晶体管。这种以架构为中心的方向特别符合仿生视觉的要求，因为它能够在缓解冯·诺依曼数据处理瓶颈的同时，实现时空预处理和像素内存操作。
3.2 仿生功能与神经形态行为
这些二维铁电光电器件自然地再现了生物视觉的几个标志性特征。首先，自适应增益控制源于缓慢的极化或陷阱介导的弛豫过程，产生了类似于光感受器适应的对光强度的对数响应。其次，短期和长期可塑性表现为光脉冲序列下的瞬态或持续电导变化，这对于光学学习和视觉记忆至关重要。第三，跨像素阵列的空间可编程极化使得能够通过将不同的响应度（正或负）编码到相邻像素中来实现硬件卷积；边缘或运动检测可以在传感前端直接实现，而无需数字处理。最后，像SnS或第四族单硫属化物等材料的固有各向异性提供了极化选择和波长选择的检测能力，扩展了类似于自然界中颜色和极化视觉的感官多样性。
3.3 优势与现存挑战
与氧化物基铁电体相比，二维范德华铁电体提供了原子级锐利、无缺陷的界面、超低的切换电压和卓越的机械灵活性，这些对于未来的可穿戴和视觉系统至关重要。它们通过范德华堆叠进行的面内集成允许直接与其他二维半导体和透明电极结合，以实现致密、可贴合性的传感器阵列。重要的是，这些材料的强光-物质相互作用和可调谐的能带结构即使在超薄几何结构中也能增强量子效率，从而以最小的能量成本实现高响应度。
尽管前景广阔，但一些挑战仍然存在。铁电极化在环境中的稳定性，特别是对于硒基和碲基硫属化物，仍然是一个限制因素。重复的光学和电学循环可能导致部分退极化或离子迁移，从而降低器件的耐久性。此外，铁电相（如TMDCs或均匀CIPS薄膜的可控合成）的可重复大面积合成仍在积极开发中。解决这些问题对于仿生视觉传感器阵列的可扩展集成至关重要。
然而，材料合成、封装和异质结构工程方面的持续进步有望提供能够以超低功耗执行复杂视觉任务的完全传感内神经形态成像器。在神经形态硬件的更广泛背景下，二维铁电仿生视觉传感器架起了光电转换和认知处理之间的桥梁，为以固态形式实现类人视觉智能迈出了切实的一步。
4 用于类视网膜硬件的基于二维铁电体的忆阻器件
具有两个终端电极的忆阻器作为神经形态系统硬件实现的突触核心具有巨大潜力，因其低变异、可靠的模拟切换和电导调制能力，易于与CMOS技术集成。最近，依赖于导电细丝的光电忆阻器已被开发出来。焦耳热是细丝稳定性的一个严重问题。铁电材料已证实了其在光电和信息存储方面的性能，可用于神经形态应用。二维铁电半导体材料与范德华异质结构相结合，提供了独特的性能和潜在的神经形态传感内应用。
一项工作报道了基于二维铁电Ruddlesden-Popper钙钛矿结构的光电忆阻器。该器件电导可以由电脉冲和光学刺激协同调制，实现了传感内和存内计算。该器件概念直接针对传统视觉系统（传感-存储-计算分离）导致高功耗和高延迟这一关键限制。SiO2中间层用于建立受控的势垒高度并最小化功耗。结构表征证实了高结晶度和稳健的铁电行为。该二维RP铁电配置提供了铁电极化和光激发之间的强耦合，这支撑了器件同时响应光学和电刺激的能力。该器件表现出双极阻变切换。在微秒范围内的电脉冲产生了动态可调的电导调制，适用于模拟多种生物突触过程。在连续电压脉冲下，器件表现出成对脉冲易化。延长脉冲间隔则转换为成对脉冲抑制，模拟了从短期记忆强化到遗忘的神经转变。强直后增强测试产生了约10
