魏兴战/秦天石Device：一种响应波段自分辨的“全在一”光电逻辑器件 | Cell Press对话科学家

基于电子的逻辑运算是现代计算机处理系统的基础。然而，随着半导体集成电路尺寸的不断缩小，互联串扰以及电阻焦耳热等问题愈发明显。近年来，光电逻辑运算（optoelectronic logic operation）的提出，为解决电子逻辑运算面临的难题提供了新思路。利用光子传输信号，可以有效减小互联信号的串扰，并消除电路互联中电阻引起的焦耳热影响。近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院的魏兴战研究员团队联合南京工业大学秦天石教授等，在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了一篇文章，题目为“An All-in-One Optoelectronic Logic Device with Self-Distinguishable Dual-Band Photoresponse”。该研究提出了一种响应波段自分辨的“全在一”光电逻辑器件。通过在紫外波段和近红外波段产生可调谐的双方向光电流（即正光电流和负光电流），从而自动识别入射光的波段。这一特性极大增强了器件电信号的光学调控自由度，使其能实现三种逻辑状态和五种基本逻辑运算。相关研究结果为开发高集成、多功能的光电逻辑器件提供了重要的参考。

研究亮点

1. 提出了钙钛矿-石墨烯-锗“三明治”异质结的光电逻辑器件结构设计，实现了响应波段的自分辨区分。
2. 所制备器件的光电流方向会随入射光波段变化而翻转，其正负响应度范围覆盖+10⁴ A/W到-800 A/W。
3. 在单个器件中演示了多种光电逻辑运算功能，包括“-1”、“0”和“1”三种逻辑状态，“与”、“或”、“非”、“与非”和“或非”五种基础逻辑功能。

研究简介作为光电逻辑运算的核心，光电探测器能够将光信号转化为电信号，并进一步用于获得可处理的数字信号。传统光电探测器通常产生方向单一的光电流，导致相关的光电逻辑器件只能实现单个逻辑功能，需要增加额外的电路布局来扩展其逻辑功能。针对这一挑战，本论文提出了响应波段自分辨的光电逻辑器件结构，获得了与入射光波段相关的双方向光电流，并在单个器件上实现了多种逻辑运算功能（图1）。

图 1 利用响应波段自分辨光电逻辑器件实现光电逻辑运算示意图。

响应波段自分辨光电逻辑器件由钙钛矿-石墨烯-锗“三明治”异质结组成，其中，上层钙钛矿用于吸收紫外光，下层锗则吸收近红外光，位于钙钛矿和锗层之间的石墨烯层起到连接的桥梁作用，它不仅读取来自于钙钛矿和锗层的垂直方向光响应信号，还将这些信号沿水平方向输送至电极。该器件的双向光电流与石墨烯费米能级的变化规律有关（图2）。具体来说，在近红外光照下，光照引起的背栅调制效果增强使石墨烯费米能级上升，该器件输出负光电流（negative photocurrent，NPC）。在紫外光照下，光生空穴的注入使石墨烯费米能级下降，该器件输出正光电流（positive photocurrent，PPC）。

图 2 响应波段自分辨光电逻辑器件概览。左图：器件结构示意图。右图：该器件在近红外和紫外光照下的工作机制示意图。

为了精确表征该光电逻辑器件的双向光响应性能，研究团队依次使用紫外（375 nm）和近红外（1550 nm）激光照射该器件（图3 (a)），并记录输出光电流。根据测试结果可以看到（图3 (b)），当入射光波长从375 nm变为1550 nm时，光电流方向从“正”变为“负”。此外，如图3(c, d)所示，该器件在375 nm和1550 nm光照下的最高响应度达到了+10⁴ A/W和-800 A/W，表明该器件能够高效地将光信号转化为电信号。

图 3 响应波段自分辨光电逻辑器件的双方向光响应。(a) 双方向光响应的测试过程示意图。(b) 该器件响应紫外和近红外光的I-T曲线。插入图：黑暗环境下的I-V曲线。(c, d) 紫外和近红外光照下，随光功率密度变化的光电流和响应度。

为了验证该器件的光电逻辑运算功能，搭建了一个以该器件为核心，包括紫外（ultraviolet，UV）光源、近红外（near-infrared，NIR）光源、信号采样电路、上位机以及双色发光二极管（light emission diode，LED）的演示系统（图4）。当UV光入射时，双色LED灯发蓝光；当NIR光入射时，双色LED灯发绿光；当没有光入射时，双色LED灯不发光（相应的演示视频可见支撑材料）。双色LED的这三种状态，即没有灯亮、蓝色灯亮和绿色灯亮，分别对应“0”、“1”和“-1”三种逻辑状态。

图 4 使用响应波段自分辨光电逻辑器件实现三种逻辑状态的示意图。

此外，该光电逻辑器件还能够执行“与-AND”、“或-OR”、“非-NOT”、“与非-NAND”和“或非-NOR”五个基础逻辑功能（图5 (a)）。在执行“非”、“与非”和“或非”运算时，使用了UV光作为调制信号（图5 (b-d)）。另外，使用NIR光作为调制信号，可实现“或”和“与”运算（图5 (e, f)）。值得强调的是，这种利用调制光切换逻辑功能的方法具有可逆性和重复性的优点。此外，该技术不需要依赖于复杂的外部电路设计，为在单个器件上实现多种光电逻辑运算提供了一种高效且巧妙的解决方案。

图 5 光电逻辑运算演示。(a) 五个基础逻辑运算的真值表。(b-f) 响应波段自分辨光电逻辑器件分别执行“非”、“或非”、“与非”、“与”和“或”运算时所输出的I-T曲线。输入光信号的“开”（红色或紫色点）和“关”（黑色点）状态分别代表逻辑状态“1”和“0”。当输出电流高于阈值电流时，将其标记为逻辑状态“1”（向上箭头），否则标记为逻辑状态“0”（向下箭头）。阈值电流（橙色虚线）为1.57 mA，对应该器件的暗电流。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请魏兴战研究员代表研究团队接受了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：请简要概述这项工作的亮点。

魏兴战研究员：光电逻辑运算是未来信号处理技术的重要发展方向之一。如何在单个器件中集成多个逻辑功能，对于提高光电逻辑运算系统的集成度和紧凑度具有重要意义。在这项工作中，我们提出的响应波段自分辨光电逻辑器件，实现了对光电流方向的控制，增强了光信号调控器件电信号的自由度，并在单个器件中演示了多种逻辑运算功能。更重要的是，这些逻辑功能的实现无需复杂的外围电路，且不同逻辑功能可以灵活切换。

CellPress：研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

魏兴战研究员：在研制响应波段自分辨光电逻辑器件的过程中，如何获得高质量且性能稳定的钙钛矿材料是一个主要难点。为此，我们选用了化学性质稳定的无机钙钛矿（CsPbCl₃），并利用球磨加工和热蒸镀技术将无机钙钛矿薄膜沉积在器件表面。通过反复实验材料退火温度，分析钙钛矿的形貌特征和光电转化效率，最终确定了高质量钙钛矿光敏层的工艺流程。

CellPress：团队下一步的研究计划是怎样的？

魏兴战研究员：我们下一步计划继续优化材料和异质结界面质量，并开发器件封装工艺，以进一步提高器件的光探测性能和稳定性。同时，我们也期望能够通过集成更多的响应波段自分辨器件，构建光电逻辑运算系统，来实现更复杂或更高级的逻辑运算功能，拓宽该技术的应用范围。

CellPress：最后，请与我们分享一下选择Device来发表这项工作的原因。

魏兴战研究员：Device作为Cell Press细胞出版社的新晋旗舰期刊，其内容涵盖物理、生物、化学、材料、光电子和信息科学等领域内具有创新性和多学科交融特点的应用技术研究成果。Device期刊旨在激发科研团体创造力，进而研制出具有实际应用价值、能够提高大众生活品质的新型设备和器件。我们的工作十分契合Device期刊的定位，因此我们选择将文章投稿至该期刊。同时，我们相信在细胞出版社对Device期刊的广泛推广下，我们的研究工作将吸引更多关注，并为相关领域的技术开发提供有益的参考。

作者介绍

魏兴战研究员

魏兴战，博士，中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员、博士生导师，微纳制造与系统集成中心副主任。主持科技部国家重点研发计划、国家自然基金面上、重庆市“杰出青年”基金等10余个项目。作为通讯作者在The Innovation, Sci. Adv., Nat. Commun., Device, Nano Lett., ACS Nano等期刊上发表文章超过70篇，并授权发明专利20余项。http://sourcedb.cigit.cas.cn/rcdw/202012/t20201225_5842661.html

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上

▌论文标题：An all-in-one optoelectronic logic device with self-distinguishable dual-band photoresponse

▌论文网址：https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00113-3

▌DOI：https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100321