二氧化釩（VO2）是一種典型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物，存在多種同分異構(gòu)相以及由于氧含量的細(xì)微差異導(dǎo)致的豐富VOx相，研究顯示通過(guò)電場(chǎng)、光場(chǎng)、壓力場(chǎng)等外場(chǎng)調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)相與相之間轉(zhuǎn)換。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)激光分子束外延方法生長(zhǎng)了高質(zhì)量的VO2/Al2O3薄膜，將其制備成光電晶體管結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了光電測(cè)試。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)VO2薄膜在紫外光輻照下發(fā)生了非易失變化，而在可見光照射下只有瞬態(tài)的光電響應(yīng)。加大紫外光輻照劑量甚至可以誘導(dǎo)VO2非易失相變，由絕緣單斜相向金屬金紅石相轉(zhuǎn)變。系列表征結(jié)果表明了這主要由于紫外光輻照在VO2薄膜中產(chǎn)生了氧空位，而光子能量低于其氧空位激活能的可見光只產(chǎn)生瞬態(tài)的光電響應(yīng)。在復(fù)位過(guò)程中，基于團(tuán)隊(duì)在電解質(zhì)調(diào)控界面離子輸運(yùn)方向的前期研究基礎(chǔ)[Adv. Mater. Inaterfaces 2, 1500407 (2015); Adv. Mater. 30, 1801548 (2018); Adv. Mater. 31, 1900379 (2019); Adv. Funct. Mater. 29, 1902702 (2019); Nano Energy 67, 104268 (2020)]，提出了利用電解質(zhì)門控的方法將氧離子插入到氧缺失薄膜的方案。因此，通紫外光輻照和電解質(zhì)調(diào)控VO2中氧的脫出/嵌入，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其電導(dǎo)的可逆非易失性調(diào)控，進(jìn)而設(shè)計(jì)了智能紫外光電傳感器件。
此外，研究團(tuán)隊(duì)在硅晶圓上通過(guò)磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)了大面積VO2薄膜，并將其制備成神經(jīng)形態(tài)傳感器件陣列。通過(guò)隨機(jī)抽取其中100個(gè)器件進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果證明了薄膜展現(xiàn)出了良好的均勻性。在硅晶圓上生長(zhǎng)的VO2薄膜具有與外延生長(zhǎng)的VO2薄膜類似的光致非易失相變特性和多態(tài)可逆調(diào)控特性，證明了該新原理器件具有大規(guī)模集成潛力。進(jìn)一步研究表明，溝道電流非易失變化與紫外線照射劑量呈現(xiàn)近似線性的關(guān)系，這為將來(lái)應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。近期，研究團(tuán)隊(duì)也證明了VO2在柔性智能光電傳感器件應(yīng)用的可能性[Adv. Funct. Mater. 2203074 (2022)]。
研究團(tuán)隊(duì)基于新型的VO2神經(jīng)形態(tài)光電傳感器件構(gòu)建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的MNIST手寫數(shù)字圖像進(jìn)行識(shí)別，該神經(jīng)形態(tài)紫外光電傳感器件可以對(duì)隨機(jī)引入RGB高斯噪聲的圖像進(jìn)行預(yù)處理，并選擇性識(shí)別其中包含的紫外信息。對(duì)于包含RGB高斯噪聲的圖像，識(shí)別準(zhǔn)確率僅達(dá)到24%。相比之下，利用基于VO2的神經(jīng)形態(tài)光電傳感器對(duì)紫外光信息進(jìn)行預(yù)處理后，圖像的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到93%，與原始MNIST圖像的識(shí)別準(zhǔn)確率相同。
物理所李格博士生和解東港聯(lián)培碩士生為共同第一作者，金奎娟研究員和葛琛副研究員為共同通訊作者。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：
Photo-induced non-volatile VO2 phase transition for neuromorphic ultraviolet sensors
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29456-5
Research Highlights in Nature Electronics, Vanadium dioxide remembers the light
https://www.nature.com/articles/s41928-022-00760-8
Flexible VO2 films for in-sensor computing with ultraviolet light
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202203074
Figures：
圖1 紫外光輻照/電解質(zhì)門控實(shí)現(xiàn)了VO2的非易失性可逆調(diào)控
圖2 硅晶圓上生長(zhǎng)的VO2薄膜器件性質(zhì)
圖3 基于VO2的神經(jīng)形態(tài)紫外光電傳感器件構(gòu)建的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像識(shí)別演示
