視網(wǎng)膜啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)計算為突破傳統(tǒng)馮·諾依曼架構的局限提供了新路徑。要在神經(jīng)形態(tài)硬件上實現(xiàn)高性能訓練，人工突觸必須具備線性對稱可編程性、雙極操作、多態(tài)存儲能力、高良率、長保持時間和低變異性等關鍵特性。然而，現(xiàn)有神經(jīng)形態(tài)器件常因非對稱和非線性導電特性而面臨重大挑戰(zhàn)，限制了其整體性能。因此，開發(fā)能在單一器件中同時實現(xiàn)持久正光電導 (PPC) 和持久負光電導(NPC) 的新型器件引起了廣泛關注。這類器件可模擬突觸行為，在復雜環(huán)境中增強信息感知能力，降低功耗，提高識別精度，并簡化硬件設計。

目前，研究人員已探索了多種技術來實現(xiàn)這些特性，包括二維材料的多層堆疊、靜電摻雜和缺陷捕獲等。然而，多層堆疊異質結構復雜的制備工藝給光電存儲器件的大規(guī)模集成和穩(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)適用于動態(tài)視覺場景神經(jīng)形態(tài)計算的新型材料系統(tǒng)仍是當前的研究重點。

中國科學院蘇州納米所康黎星團隊提出了一種通過化學氣相輸運制備的硒內(nèi)嵌單壁碳納米管（Se@SWCNTs）的一維范德華異質結。利用像差校正透射電子顯微鏡 (AC-STEM) 以及光譜學和電學表征，成功證實了雙鏈硒被封裝在單壁碳納米管內(nèi)部。與先前研究不同，通過溶液沉積技術成功制備了大面積的半導體性 Se@SWCNTs?薄膜。利用這些薄膜，在柔性基底上構建了4英寸晶圓級的 Se@SWCNTs 一維范德瓦爾斯異質結光電晶體管。這種方法消除了對多層異質結或復雜電路的需求，從而簡化了陣列集成和晶圓級制造。結合有效的柵極調制，實現(xiàn)了對?PPC 和NPC 響應的高度線性和精確控制。其線性擬合相關系數(shù) (R2) 超過 0.99。?同時實現(xiàn)了具有超過128個存儲態(tài)的線性?PPC?和?NPC。通過利用器件在不同光強度（0.1–2.1 mW/c㎡）和波長范圍下的性能變化，我們展示了在受腦區(qū)功能啟發(fā)的、復雜度遞增的三項任務中，權重規(guī)則處理的高度一致性。重要的是，這三項不同視覺任務（數(shù)字/字母識別、形狀識別和特征識別）所需的神經(jīng)結構（深度卷積網(wǎng)絡、殘差網(wǎng)絡和注意力網(wǎng)絡）及其對應的衰減率（階梯式、指數(shù)式和預熱式）也是不同的。所提出的晶體管能夠通過光學混合編程促進受生物啟發(fā)的腦區(qū)之間的轉換，從而適應動態(tài)的視覺環(huán)境。這種首次引入的創(chuàng)新方法，為腦啟發(fā)計算和仿生視覺的實際應用鋪平了道路。

任務1（識別字母/數(shù)字）主要激活初級視覺皮層（V1-V3）和下顳葉皮層進行基礎感知；任務2（識別圖案/顏色）進一步調動梭狀回和V4區(qū)處理精細特征；任務3（區(qū)分動物特征）則需頂葉內(nèi)溝等高級中樞參與整合。這種層級化激活模式揭示了大腦應對遞增認知需求的動態(tài)協(xié)作機制。

圖1. 受腦功能區(qū)啟發(fā)的晶圓級突觸陣列的設計和制造

晶圓級均勻工藝：4英寸柔性陣列1000器件統(tǒng)計閾值電壓、開態(tài)電流呈正態(tài)分布。

圖2. Se@SWCNTs?光電晶體管的大面積均勻性表征

高線性權重更新：電導-脈沖數(shù)線性度R2>0.99，優(yōu)于現(xiàn)有二維/有機/氧化物體系。128態(tài)非易失存儲：連續(xù)光脈沖下可分辨128級權重，對應7 bit精度，保持時間>1000 s。

圖3. 柵極可調控雙極光存儲

波長-強度協(xié)同編程：通過375/405/532nm與0.1–2.1 mW cm-2組合動態(tài)生成步進、指數(shù)、余弦等學習率曲線，直接映射至CNN/ResNet/Attention權重。

圖4. 用于動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡的動態(tài)可編程神經(jīng)形態(tài)器件

相關工作以Gate-Tunable Highly Linear Bipolar Photoresponse in Se@SWCNT Adaptive Neurons for Dynamically Programmable Neuromorphic Computing為題發(fā)表在Advanced Materials上（論文1）。中國科學院蘇州納米所博士生姚建，博士后王琦男和耿林為論文共同第一作者。西交利物浦大學趙春教授和中國科學院蘇州納米所劉立偉研究員、李清文研究員、康黎星研究員為共同通訊作者。同時團隊還系統(tǒng)地總結了全光控先進神經(jīng)形態(tài)的最新進展，重點探討了材料和全光學控制機制在提升效率和可擴展性方面的貢獻以及全光學控制神經(jīng)形態(tài)器件在光學邏輯門、視覺感知和腦啟發(fā)計算等多樣化應用中的潛力 (ACS Nano 2025,19,29,26320)（論文2）。系列研究獲得了國家自然科學基金、江蘇省重點研發(fā)計劃等項目的支持，以及中國科學院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站（Nano-X）和納米加工平臺的技術支持。