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客户成果丨华南理工大学《Advanced Electronic Materials》：基于界面缺陷控制双模态神经形态器件的无时钟光通信

光信号序列的转换、恢复与识别是现代高速通信网络的核心支柱，现有光通信系统依赖复杂时钟模块实现信号同步，导致尺寸较大、能耗较高，传感与计算功能难以紧凑集成。近日，华南理工大学微电子学院周长见副教授团队提出一种基于碲（Te）/ 二氧化铪（HfO₂）/ 六方氮化硼（h-BN）界面缺陷调控的双模态神经形态器件，成功实现无时钟光通信中的高精度时序恢复，相关成果以“Clock-Free Optical Communication Based on Interface Defect Control Bimodal Neuromorphic Devices” 为题，发表于《Advanced Electronic Materials》期刊，并评选为封面文章。

研究团队将缺陷与载流子的相互作用限制在 Te/HfO₂/h-BN 二维界面，通过精确调控缺陷迁移分配模态权重，使器件在单一信号串中同时实现高保真光感知与神经计算功能。零栅压下，该器件展现出优异的光电转换性能，对 808 nm、1064 nm、1310 nm、1550 nm 等光通信波段均有显著响应，在 1310 nm 光照下 responsivity 达 1.4 A/W，探测率高达 10⁷，响应速度快至 478 μs，性能媲美传统通信光电探测器；施加栅压后，器件可切换为光学突触模式，突触响应上升时间仅 1.04 ms，其突触响应过程可直接作为序列检测器，而非单纯贡献最终电导值。借助脉冲神经网络（SNN）算法，该器件实现了光通信时序的高精度恢复，识别准确率达 92.6%，为紧凑型无时钟光通信模块提供了高性能架构参考。

器件核心设计

器件采用 Te/HfO₂/h-BN/ 石墨烯（Gr）分层堆叠结构。核心创新在于通过界面缺陷工程实现传感与计算的动态平衡：

· 沟道层选用碲（Te）材料，凭借 0.37 eV 窄带隙、≈700 cm²V⁻¹s⁻¹ 超高迁移率及优异稳定性，成为近红外光探测的理想选择，确保光信号的高效捕获；

· 栅介质层采用 HfO₂/h-BN 复合结构，通过原子层沉积（ALD）工艺调控 HfO₂的氧空位缺陷浓度，形成可栅压调控的缺陷库，既保证介电性能，又能实现电导弛豫特性的精准调制；

· 界面缺陷的可控迁移机制使器件无需外部切换即可同步完成光信号探测与时序计算，解决了传统双模态器件功能割裂的问题。

图1. a) 器件功能与结构示意图；b) O、Hf、Te 三种元素的 EDS 分布图；c) 器件截面 Te/HfO₂界面的原子显微图；d) 从 EDS 光谱提取的各层厚度；e) 设计器件的双模态动力学特性。

双模态交互动力学

传统光通信系统需经 “光电探测 - 时钟同步 - 信号解调” 多模块协作，存在结构成本高昂与延迟问题。该工作通过界面缺陷调控策略，使单一器件同时具备：高灵敏度光探测能力；可编程突触特性，支持神经计算；以及时序的保真存储，即突触响应过程保留光脉冲的时间维度信息，为直接解码提供可能。大幅简化了光电接口，降低了系统成本与能耗。

图2. a) 不同波长激光脉冲下器件的突触可塑性；b) 1310 nm 波长下不同光强激光脉冲的器件突触可塑性；c) 1310 nm 波长下不同脉冲数量的器件突触可塑性；d) 1310 nm 波长下不同脉冲频率的器件突触可塑性；e) 不同栅电压对器件光学突触可塑性的调制作用；f) 不同极性栅电压调制下突触可塑性的增强 / 抑制转换；g) 1310 nm 激光下突触响应的上升时间；h) 栅压偏置模式下光学突触可塑性增强机制示意图；i) 栅压偏置模式下光学突触可塑性抑制机制示意图。

SNN算法实现时钟恢复

进一步将器件的高性能光响应与可调突触权重相结合，利用程序化电导的时间依赖性，基于 SNN 算法实现了光通信无时钟时序恢复。通过检测最小电导值确定时钟起始点，无需复杂时钟同步模块即可还原脉冲序列，在 MNIST 数据集上达成 92.6% 的识别准确率。训练与测试损失持续下降并稳定在低水平，验证了模拟结果的良好收敛性。

图3. a) 编码 “S”“C”“U”“T” ASCII 码的脉冲序列光电响应及长距离传输后的时序损失；b) 保持时序保真的光学突触模式电导特性及时序恢复；c) SNN 算法顺序扫描恢复比特流示意图；d) SNN 识别算法结构；e) 50 次光脉冲刺激下突触电导增强与抑制的 PSC 变化；f) SNN 算法基于电导特性的时序识别准确率；g) SNN 算法时序识别过程的训练损失与测试损失。

该工作中，研究团队通过使用 TuoTuo Technology 的多模态光电显微镜，完成了器件在不同波长（808 nm，1064 nm，1310 nm，1550 nm）、强度、偏振状态下的稳态以及动态光脉冲刺激实验，精准获取了器件的光电响应、突触可塑性等关键性能数据，为双模态功能验证提供了一站式可靠的实验支撑。