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近日，智能制造與信息工程研究所研究開(kāi)發(fā)了一種基于可調(diào)原子層材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的全功能光電邏輯門(mén)，突破了現(xiàn)有光電器件功能單一化的局限，實(shí)現(xiàn)了在單一器件內(nèi)完成全部基本布爾運(yùn)算。研究成果“All-in-One, Full Optoelectronic Logic Gates with a Tunable van der Waals Junction”發(fā)表在Advanced Functional Materials上。博士生郭靈嵐、沈道智副教授為論文第一作者，朱利民教授、沈道智副教授為通訊作者。
隨著器件尺寸逼近物理極限，原子級(jí)制造與調(diào)控技術(shù)成為突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝瓶頸的關(guān)鍵路徑。特別是在光電器件領(lǐng)域，原子級(jí)平整的界面和精確的能帶調(diào)控是實(shí)現(xiàn)高性能邏輯功能的關(guān)鍵要素。光電邏輯門(mén)通過(guò)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，兼具光電優(yōu)勢(shì)，但早期基于PN結(jié)、PIN結(jié)或雪崩光電二極管的設(shè)計(jì)只能實(shí)現(xiàn)單一邏輯功能，需通過(guò)多個(gè)器件集成才能構(gòu)建完整電路。盡管原子層材料因強(qiáng)光—物質(zhì)相互作用和可調(diào)控光電響應(yīng)被視為理想候選材料，但單一材料能帶結(jié)構(gòu)調(diào)制能力有限，難以在單器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)多樣化邏輯運(yùn)算。原子層材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)雖展現(xiàn)出更強(qiáng)可調(diào)性，但此前研究仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)全套邏輯功能的單片集成。如何在單一器件內(nèi)完成全部基本布爾運(yùn)算，同時(shí)保持高響應(yīng)速度與低功耗，成為該領(lǐng)域亟待解決的難題。
針對(duì)上述問(wèn)題，研究構(gòu)建了一種基于BP/MoTe2/Gr垂直堆疊的原子層材料異質(zhì)結(jié)光電邏輯門(mén)。研究團(tuán)隊(duì)利用柵極電壓對(duì)界面能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，在原子尺度上調(diào)制載流子輸運(yùn)路徑，使器件在可見(jiàn)光與紅外波段表現(xiàn)出可編程的光電響應(yīng)特性。MoTe2主導(dǎo)的光電流呈現(xiàn)雙向可調(diào)特性，與BP產(chǎn)生的紅外光電流的單向調(diào)控，二者疊加構(gòu)成了邏輯狀態(tài)切換的基礎(chǔ)。本研究設(shè)計(jì)了一種雙波長(zhǎng)輸入系統(tǒng)，以650納米可見(jiàn)光與1550納米紅外光作為信號(hào)源，通過(guò)電壓序列控制實(shí)現(xiàn)了AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR和XNOR七種基本邏輯運(yùn)算。
原子層材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電邏輯門(mén)模擬實(shí)驗(yàn)：邊緣提取、信息融合、眩光消除
原子層材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電邏輯門(mén)雙信號(hào)透射實(shí)驗(yàn)結(jié)果
研究進(jìn)一步通過(guò)XOR邏輯實(shí)現(xiàn)障礙物輪廓檢測(cè)，利用OR邏輯融合可見(jiàn)光與紅外圖像，結(jié)合黑磷的偏振敏感性有效抑制玻璃表面反光干擾，提升了行人識(shí)別準(zhǔn)確率。傳統(tǒng)電子電路需4至12個(gè)晶體管才能實(shí)現(xiàn)單一邏輯門(mén)，該單器件方案將晶體管數(shù)量減少50%至83%，顯著提升了集成密度與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔性。
本研究突破了傳統(tǒng)光電器件在原子級(jí)調(diào)控方面的技術(shù)瓶頸，證明了精確的界面工程可以實(shí)現(xiàn)多功能、高性能邏輯運(yùn)算。該成果不僅推動(dòng)了原子級(jí)制造技術(shù)在光電領(lǐng)域的發(fā)展，也為后摩爾時(shí)代器件創(chuàng)新提供了重要參考。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海交通大學(xué)Explore X基金項(xiàng)目和上海交通大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目的資助。
智能制造與信息工程研究所近年來(lái)積極布局原子級(jí)制造研究，在原子級(jí)材料設(shè)計(jì)、調(diào)控與器件制造、檢測(cè)等方面取得了一系列成果，相關(guān)工作發(fā)表于Nature Communications、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、ACS Nano、Advanced Science等期刊。
論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202525212
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