破解光的“高維密碼”：二維材料開辟集成傳感新范式

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室胡偉達研究團隊，聯(lián)合美國圣路易斯華盛頓大學(xué)及香港理工大學(xué)，在二維材料集成傳感領(lǐng)域取得重要進展。團隊系統(tǒng)綜述了二維材料在多維光電傳感中的最新進展，解析了其在多通道編碼、原子級調(diào)控及堆疊工藝中的獨特優(yōu)勢，并提出了面向光學(xué)信息的集成傳感范式躍遷框架。相關(guān)綜述發(fā)表于《自然·材料》(Nature Materials)。
 

　　人工智能對海量圖像的實時處理需求，給系統(tǒng)功耗和延時帶來極大負擔(dān)。電學(xué)領(lǐng)域通過憶阻器實現(xiàn)“存算一體”(乘累加MAC范式)，減少數(shù)據(jù)搬運。然而，光信號天然攜帶光譜、偏振、相位等高維信息，直接將電學(xué)范式遷移到光電領(lǐng)域面臨巨大挑戰(zhàn)。
 

　　研究團隊指出，光電MAC范式不是簡單遷移，而是真正的“躍遷”。對于時空信息，在探測器內(nèi)實現(xiàn)可重構(gòu)的光響應(yīng)(憶“光響應(yīng)”)即可完成本地智能傳感；而對于光譜、偏振等高維信息，則需在傳統(tǒng)MAC基礎(chǔ)上繼續(xù)升維，通過重構(gòu)式計算或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦解析。二維材料在此新范式中展現(xiàn)出三大優(yōu)勢：對局域電場極度敏感，可調(diào)控電子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高維信息編碼；具備原子級可修飾性，能精確匹配計算模型；低溫制備特性天然適配單片三維集成(M3D)架構(gòu)。
 

　　圍繞“高維信息如何在器件中物理實現(xiàn)”，團隊梳理了光譜與時間維度的感知機制。在光譜維度，通過Stark效應(yīng)、電化學(xué)調(diào)控、能帶工程及激子效應(yīng)等，可精確調(diào)制二維材料能帶，實現(xiàn)可重構(gòu)光譜響應(yīng)，使單個像素成為具備光譜編碼能力的計算節(jié)點。在時間維度，利用缺陷態(tài)、浮柵、鐵電極化及相變等機制，器件獲得“光驅(qū)動記憶”能力，可在接收光信號的同時完成存儲與時間累積，實現(xiàn)從瞬時響應(yīng)向時序傳感的跨越，支持運動目標檢測等動態(tài)任務(wù)。
 

　　未來集成傳感將不再被動響應(yīng)單一物理維度，而是通過光譜、時間、空間及偏振等多通道信息原位協(xié)同編碼，高效提取復(fù)雜場景關(guān)鍵特征。借助二維材料垂直方向的范德華集成優(yōu)勢，有望構(gòu)建單片三維集成架構(gòu)，實現(xiàn)多通道信息并行獲取、原位處理與高效融合，突破傳統(tǒng)分立系統(tǒng)在數(shù)據(jù)與能效上的瓶頸，真正由“低維材料物性”重塑“高維集成傳感”。
 

　　該綜述第一作者為實驗室博士后許航瑀，研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家基金委創(chuàng)新研究群體及先導(dǎo)專項等資助。