长江学者、上海交通大学朱利民教授，沈道智副教授 AFM：具有可调谐范德华异质结一体化全功能光电子逻辑门

长江学者、上海交通大学朱利民教授和沈道智副教授等人提出了一种基于可调谐范德瓦尔斯结的全功能光电子逻辑门，实现了单一器件内多种布尔逻辑运算及高级功能，为智能光学计算和实时感知提供了新策略。研究背景随着人工智能发展，图像和视频数据量激增，传统电子电路和处理器因性能瓶颈难以高效处理。光子集成器件因高速光传输、大规模并行处理和低功耗等优势成为解决方案之一。光电子逻辑门（OELGs）能将光输入转换为布尔逻辑电输出，兼具宽带、快速数据传输和低成本等优点，但早期设计基于PN、PIN和雪崩光电二极管等架构，仅能执行单一逻辑运算，且需多个光电器件集成实现多种逻辑功能。基于二维材料的光探测器因强光 - 物质相互作用、原子级锐界面和可调响应等特性，有望用于构建多逻辑功能OELGs，但单一二维材料带结构调制不足限制了其在单一器件内实现广泛逻辑运算的能力。主要内容研究团队开发了全功能的OELG系统，使用单一的范德瓦尔斯（vdW）结，通过电场调控传输介导的光谱光响应，实现从可见光到红外波段的光电流精确控制。该器件由低带隙的黑磷（BP）、高带隙的2H - 二碲化钼（MoTe?）和透明的石墨烯（Gr）接触层垂直堆叠而成，通过干法转移技术组装。BP和MoTe?的异质结在电场调控下展现出可动态调节的能带对齐，从而实现对光电流的精确调控。实验结果表明，该器件在不同波长（650nm和1550nm）下展现出不同的光电流响应特性，通过改变栅极电压，可以实现光电流的极性反转和幅度调节，进而实现多种逻辑运算功能。此外，该器件还展示了边缘提取、图像融合和抗眩光识别等高级功能。图1. 栅极可调谐范德华光电探测器的表征。a) 集成在硅芯片上的多功能OELG示意图，插图为光学显微图像。比例尺：10微米。b) 器件的横截面TEM图像及P、Te、Mo、B和N的元素分布图。比例尺：5纳米。c) 上：不同典型栅压下的BP/2H-MoTe2结能带结构示意图；下：结中2H-MoTe2和BP薄片的归一化PL光谱。d) 黑暗条件下器件在不同栅压下的I-V特性曲线。e) 栅压扫描时器件在λ=650nm、1550nm及双波长光照下的零偏压光电流。f) 图(e)选定区域的详细光电流分布。g) 栅压为2.8V和3.8V时vdW结的空间光电流分布图（偏压设为零）。比例尺：20微米。h) VG=2.8V时器件在零偏压下对循环光照的瞬态光电流响应曲线。实验细节实验中，首先通过机械剥离法将二维材料（包括石墨烯、六方氮化硼、MoTe?和黑磷）从块体晶体转移到带有285nm热氧化层的硅衬底上。利用聚碳酸酯/聚二甲基硅氧烷复合转移印章，在加热台上依次精确拾取Gr/hBN/Gr/2H-MoTe?/BP异质结构的各组分，并将其整体转移到预图案化的金/钛电极上。创新点全功能逻辑门集成：首次在单一vdW结中实现了完整的布尔逻辑运算（AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR和XNOR），突破了传统单一逻辑门的限制。电场调控光响应：通过电场调控传输介导的光谱光响应，实现了从可见光到红外波段的光电流精确控制，展现出超过四个数量级的高开/关比。高级功能集成：展示了边缘提取、图像融合和抗眩光识别等高级功能，拓展了光电子逻辑门的应用范围。极化敏感性：利用BP的各向异性特性，实现了对偏振光的敏感响应，进一步提升了器件的功能多样性。图2. 基于单一vdW结的OLEG设计原理。a) 采用单一vdW结实现OELG的示意图。b) 零偏压下光电流谱随波长和栅压变化的连续二维图。c) 器件在黑暗和光照条件下（VG = 2.8 V）的I-V特性曲线。d) XOR逻辑门在四种不同输入状态下的输出电流绝对值。插图：XOR门真值表。e) 器件在黑暗和光照条件下（VG = 5.7 V）的I-V特性曲线。f) OR逻辑门在四种不同输入状态下的输出电流绝对值。插图：OR门真值表。结论本研究提出了一种基于单一vdW结的全功能光电子逻辑门，通过电场调控实现了多种逻辑运算功能，并展示了边缘提取、图像融合和抗眩光识别等高级功能。该器件具有宽带光谱响应、高开/关比和可动态调节的逻辑运算能力，显著优于传统电子和全光器件。其在智能光学计算和实时感知方面的应用潜力，使其成为自动驾驶、安全监控和增强现实等领域的理想选择。图3. 单器件实现XNOR、NOT、NOR和NAND操作的OELG演示。a) 光电流谱随Vbias和VG变化的连续二维图：左半部分为650 nm，右半部分为1550 nm。选定区域为其他逻辑门的主要工作区，虚线表示零光电流。b) 器件在黑暗和光照下（VG = 6.8 V）的I-V特性曲线。c) XNOR逻辑门在四种不同输入状态下的绝对电流值。插图：XNOR门真值表。d) NOT逻辑门在650 nm和1550 nm光照下两种不同输入状态的绝对电流值。e) 器件在黑