【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在人工智能技術(shù)飛速發(fā)展的今天，如何讓計算機硬件像人腦一樣，能夠以超低功耗同時處理和存儲信息，是科學家們孜孜以求的“圣杯”。近日，西安交通大學前沿科學技術(shù)研究院的邵金友教授、孫柏教授團隊，在被譽為“下一代腦啟發(fā)計算核心器件”的光電憶阻器領(lǐng)域取得顛覆性進展。該研究成果發(fā)表于國際材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《先進材料》(Advanced Materials)。他們巧妙運用一種常見的食品添加劑，從原子層面“鎖住”了關(guān)鍵材料制備中的缺陷，不僅制備出性能卓越的無鉛鈣鈦礦薄膜，更成功構(gòu)建了能同時響應(yīng)光與電信號的全新智能器件。這一突破，為開發(fā)真正意義上的“光-腦”融合芯片，以及實現(xiàn)精密的全光控生物醫(yī)療系統(tǒng)，點亮了清晰的技術(shù)路徑。
攻克產(chǎn)業(yè)化“攔路虎”：從源頭封印薄膜缺陷
當前，以數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能正面臨嚴峻的“能耗墻”挑戰(zhàn)。受傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)限制，數(shù)據(jù)的計算與存儲分離，導致大量能量和時間消耗在數(shù)據(jù)搬運過程中。模仿生物神經(jīng)元與突觸工作機制的憶阻器，被認為是打破這一瓶頸、實現(xiàn)存算一體的理想硬件基礎(chǔ)。而當憶阻器“遇見”對光異常敏感的鈣鈦礦材料時，便誕生了更強大的光電憶阻器——它能夠像視覺神經(jīng)一樣，直接感知、處理光信號，并將信息存儲于自身電阻狀態(tài)的變化中，為構(gòu)建超低功耗的視覺感知與計算系統(tǒng)提供了可能。
然而，將實驗室的潛力轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可靠的器件，道路并非坦途。研究團隊選用的Cs2AgBiBr6雙鈣鈦礦，因其環(huán)境友好、穩(wěn)定性較佳而備受矚目，但在薄膜制備過程中，其晶體生長的“先天缺陷”卻成為性能提升的最大障礙。溶液法制備薄膜時，成核與結(jié)晶過程難以精確控制，極易產(chǎn)生大量名為“溴空位”的原子尺度缺陷。這些缺陷如同高速公路上的陷阱，會捕獲并湮滅光生電子，嚴重劣化材料的光電性能，導致最終器件性能低下、穩(wěn)定性差。因此，如何從成核的源頭抑制缺陷產(chǎn)生，是鈣鈦礦光電器件走向商業(yè)化必須攻克的科學難題。
巧用“食品添加劑”：微觀世界的精準“鎖匠”
面對這一挑戰(zhàn)，西安交大研究團隊展現(xiàn)出了精巧的設(shè)計思維。他們沒有采用復(fù)雜的工藝或昂貴的原料，而是創(chuàng)造性地引入了一種常見、低成本的雙親性分子——“吐溫80”(Tween 80)。這種常用于冰淇淋、化妝品的表面活性劑，成為了解決尖端材料問題的“密鑰”。
團隊通過先進的原位表征與第一性原理計算，深刻揭示了吐溫80的工作機制，并提出了一個創(chuàng)新的“動力學封閉”模型。這個模型的精妙之處在于，吐溫80分子能像一位技藝高超的“鎖匠”，從兩個方面同時“鎖住”鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中的離子，防止缺陷形成：
鎖陽離子，穩(wěn)核心：吐溫80疏水端的酯基氧原子，能夠與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的銀離子(Ag?)和鉍離子(Bi³?)形成穩(wěn)定的配位鍵。這種配位作用如同將金屬離子牢牢固定在其晶格中的“座位”上，顯著降低了因熱振動導致的離子逃逸傾向，從而從根本上削弱了溴離子被“擠走”形成空位的驅(qū)動力。
錨陰離子，調(diào)節(jié)奏：與此同時，吐溫80親水端的聚環(huán)氧乙烷(PEO)長鏈，可以通過靜電作用緊密錨定在晶體生長的界面，有效“吸附”住溴離子(Br?)。計算顯示，這一吸附過程是自發(fā)且穩(wěn)固的。更重要的是，這些長鏈在晶體表面形成了溫和的空間位阻，如同為晶體生長設(shè)置了一個“緩沖帶”，讓結(jié)晶速度慢下來，使得溴離子有充足的時間擴散到正確的晶格位置，有序排列，從而進一步抑制了空位的產(chǎn)生。
通過精確調(diào)控吐溫80的添加量，研究團隊成功制備出了晶粒尺寸大、無針孔、結(jié)晶度極高的優(yōu)質(zhì)鈣鈦礦薄膜。其光致發(fā)光強度相比未處理的薄膜得到巨大提升，直觀證明了薄膜內(nèi)部缺陷被有效抑制，光電性能實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。
“光與電”的智能交響：從圖像識別到精準醫(yī)療
基于這一超凡的薄膜材料，團隊構(gòu)建了高性能的鈣鈦礦基光電憶阻器。該器件展現(xiàn)了令人矚目的雙重智能特性：
電學突觸(ESF)：在電脈沖刺激下，它能像生物突觸一樣，實現(xiàn)電阻值的連續(xù)、模擬式調(diào)控。利用這一特性構(gòu)建的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在經(jīng)典的手寫數(shù)字(MNIST)識別任務(wù)中，達到了91%的高準確率，驗證了其在低功耗類腦計算中的應(yīng)用潛力。
瞬態(tài)光響應(yīng)(TPR)：在光脈沖刺激下，器件展現(xiàn)出20毫秒的快速響應(yīng)、超過930秒的超長信號保持時間以及在5赫茲頻率下超過1000次的穩(wěn)定循環(huán)能力。這意味著它不僅能快速“看見”光信號，還能“長久記住”光的模式，并且極其耐用。
尤為引人注目的是，研究團隊極具想象力地拓展了器件的應(yīng)用邊界。他們演示了利用不同波長(顏色)的光脈沖，即可對器件進行全光控的“寫入”與“擦除”，并以此完成了復(fù)雜的圖像處理任務(wù)。更開創(chuàng)性的應(yīng)用是，他們設(shè)計了一種全光控的鞘內(nèi)藥物注射模擬系統(tǒng)。在該概念驗證中，不同的光脈沖編碼可以觸發(fā)不同的、預(yù)設(shè)的藥物釋放策略，最高可支持六種獨立的釋放程序。這為未來開發(fā)無需電池、無線遠程控制、可按需精準給藥的智能植入式醫(yī)療設(shè)備，提供了革命性的硬件原型。
結(jié)語：開啟“感知-計算-執(zhí)行”一體化的新紀元
西安交通大學邵金友、孫柏教授團隊的這項研究，其意義遠不止于制備了一個高性能器件。它通過一種巧妙的“封閉策略”，在微觀尺度上解決了鈣鈦礦材料制備的核心痛點，為整個鈣鈦礦光電子學提供了可借鑒的工藝與理論基礎(chǔ)。更重要的是，它成功地將材料優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為器件的多功能性，展示了光電憶阻器作為“光-腦”接口核心的巨大潛力。
這項成果標志著我們向“感知-計算-執(zhí)行”一體化的智能系統(tǒng)邁出了堅實一步。未來，融合了此類器件的芯片，或許將能讓攝像頭不僅“看見”圖像，更能瞬間“理解”并“記住”場景；也能讓微型醫(yī)療機器人僅憑一束穿透皮膚的光，就在體內(nèi)執(zhí)行復(fù)雜的治療任務(wù)。從算力提升到生命健康，這項源自基礎(chǔ)材料突破的研究，正為多個前沿領(lǐng)域打開一扇充滿光明的未來之窗。
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