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迈向光脑融合：西安交大创制高性能钙钛矿基光电忆

阅读： 发布时间：2025-12-11

      在人工智能技术飞速发展的，如何让计算机硬件像人脑一样，能够以低功耗同时处理和存储信息，是科学家们孜孜以求的“圣杯”。近日，西安交通大学前沿科学技术研究的邵金友教授、孙柏教授团队，在被誉为“下一代脑启发计算核心器件”的光电忆阻器领域取得颠覆性进展。该研究成果发表于国际材料领域期刊《*材料》(Advanced/WWW.shyb118.com/ Materials)。他们巧妙运用一种常见的食品添加剂，从原子层面“锁住”了关键材料制备中的缺陷，不仅制备出性能*的无铅钙钛矿薄膜，更*构建了能同时响应光与电信号的全新智能器件。这一突破，为开发真正意义上的“光-脑”融合芯片，以及实现精密的全光控生物医疗系统，点亮了清晰的技术路径。
 
  攻克产业化“拦路虎”：从源头封印薄膜缺陷
 
  当前，以数据驱动的人工智能正面临严峻的“能耗墙”挑战。受传统冯·诺依曼架构限制，数据的计算与存储分离，导致大量能量和时间消耗在数据搬运过程中。模仿生物神经元与突触工作机制的忆阻器，被认为是打破这一瓶颈、实现存算一体的理想硬件基础。而当忆阻器“遇见”对光异常敏感的钙钛矿材料时，便诞生了更强大的光电忆阻器——它能够像视觉神经一样，直接感知、处理光信号，并将信息存储于自身电阻状态的变化中，为构建低功耗的视觉感知与计算系统提供了可能。
 
  然而，将实验室的潜力转化为稳定可靠的器件，道路并非坦途。研究团队选用的Cs2AgBiBr6双钙钛矿，因其环境友好、稳定性较佳而备受瞩目，但在薄膜制备过程中，其晶体生长的“先天缺陷”却成为性能提升的*障碍。溶液法制备薄膜时，成核与结晶过程难以控制，极易产生大量名为“溴空位”的原子尺度缺陷。这些缺陷如同高速公路上的陷阱，会捕获并湮灭光生电子，上海仪表四厂严重劣化材料的光电性能，导致*终器件性能低下、稳定性差。因此，如何从成核的源头抑制缺陷产生，是钙钛矿光电器件走向商业化必须攻克的科学难题。
 
  巧用“食品添加剂”：微观世界的*“锁匠”
 
  面对这一挑战，西安交大研究团队展现出了精巧的设计思维。他们没有采用复杂的工艺或昂贵的原料，而是创造性地引入了一种常见、低成本的双亲性分子——“吐温80”(Tween 、WWW.shsaic.net/80)。这种常用于冰淇淋、化妆品的表面活性剂，成为了解决*材料问题的“密钥”。
  团队通过*的原位表征与*性原理计算，深刻揭示了吐温80的工作机制，并提出了一个创新的“动力学封闭”模型。这个模型的精妙之处在于，吐温80分子能像一位技艺高的“锁匠”，从两个方面同时“锁住”钙钛矿前驱体溶液中的离子，防止缺陷形成：
 
  锁阳离子，稳核心：吐温80疏水端的酯基氧原子，能够与钙钛矿结构中的银离子(Ag⁺)和铋离子(Bi³⁺)形成稳定的配位键。这种配位作用如同将金属离子牢牢固定在其晶格中的“座位”上，显著降低了因热振动导致的离子逃逸倾向，从而从根本上削弱了溴离子被“挤走”形成空位的驱动力。
 
  锚阴离子，调节奏：与此同时，吐温80亲水端的聚环氧乙烷(PEO/WWW.shybdj6.net/)长链，可以通过静电作用紧密锚定在晶体生长的界面，有效“吸附”住溴离子(Br⁻)。计算显示，这一吸附过程是自发且稳固的。更重要的是，这些长链在晶体表面形成了温和的空间位阻，如同为晶体生长设置了一个“缓冲带”，让结晶速度慢下来，使得溴离子有充足的时间扩散到正确的晶格位置，有序排列，从而进一步抑制了空位的产生。
 
  通过调控吐温80的添加量，研究团队*制备出了晶粒尺寸大、无针孔、结晶度极高的钙钛矿薄膜。其光致发光强度相比未处理的薄膜得到巨大提升，直观证明了薄膜内部缺陷被有效抑制，光电性能实现了质的飞跃。
 
  “光与电”的智能交响：从图像识别到*医疗
 
  基于这一凡的薄膜材料，团队构建了高性能的钙钛矿基光电忆阻器。该器件展现了令人瞩目的双重智能特性：
 
  电学突触(ESF)：在电脉冲刺激下，它能像生物突触一样，实现电阻值的连续、模拟式调控。利用这一特性构建的人工神经网络，在经典的手写数字(MNIST)识别任务中，达到了91%的高准确率，验证了其在低功耗类脑计算中的应用潜力。
 
  瞬态光响应(/WWW.shhzy3.cn/TPR)：在光脉冲刺激下，器件展现出20毫秒的快速响应、过930秒的长信号保持时间以及在5赫兹频率下过1000次的稳定循环能力。这意味着它不仅能快速“看见”光信号，还能“长久记住”光的模式，并且极其耐用。
 
  尤为引人注目的是，研究团队极具想象力地拓展了器件的应用边界。他们演示了利用不同波长(颜色)的光脉冲，即可对器件进行全光控的“写入”与“擦除”，并以此完成了复杂的图像处理任务。更开创性的应用是，他们设计了一种全光控的鞘内药物注射模拟系统。在该概念验证中，不同的光脉冲编码可以触发不同的、预设的药物释放策略，*可支持六种独立的释放程序。这为未来开发无需电池、无线远程控制、可按需*给药的智能植入式医疗设备，提供了革命性的硬件原型。
 
  结语：开启“感知-计算-执行”一体化的新纪元
 
  西安交通大学邵金友、孙柏教授团队的这项研究，其意义远不止于制备了一个高性能器件。它通过一种巧妙的“封闭策略”，在微观尺度上解决了钙钛矿材料制备的核心痛点，为整个钙钛矿光电子学提供了可借鉴的工艺与理论基础。更重要的是，它*地将材料优势转化为器件的多功能性，展示了光电忆阻器作为“光-脑”接口核心的巨大潜力。
 
  这项成果标志着我们向“感知-计算-执行”上海自动化仪表厂一体化的智能系统迈出了坚实一步。未来，融合了此类器件的芯片，或许将能让摄像头不仅“看见”图像，更能瞬间“理解”并“记住”场景；也能让微型医疗机器人仅凭一束穿透皮肤的光，就在体内执行复杂的治疗任务。从算力提升到生命健康，这项源自基础材料突破的研究，正为多个前沿领域打开一扇充满光明的未来之窗。