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客户成果丨河南师范大学《ACS Photonics》：可重构WSe₂同质结光电晶体管用于超灵敏视网膜微光视觉和多模光电逻辑门

高效、自适应的光感知能力一直是机器视觉领域追求的目标。然而，现有的人工视觉系统多采用被动栅压调控或固定响应模式，依赖外部电路实现感知范围扩展，不仅生物仿生程度低，且存在能耗高、响应速度慢、环境适应性差等问题。对此，河南师范大学物理学院的夏从新教授团队受视网膜双极细胞拮抗处理机制启发，成功研制出一种可重构WSe2同质结光电晶体管，实现了超灵敏弱光视觉与多模态光电逻辑门功能，该成果以“Reconfigurable WSe2 Homojunction Phototransistor for Ultrasensitive Retinomorphic Dim-Light Vision and Multimodal Optoelectronic Logic Gates”为题，发表于国际权威期刊《ACS Photonics》上。

研究团队提出一种受视网膜双极细胞启发的可重构WSe2同质结光电晶体管，具备栅压可调的双向光响应特性，兼具超灵敏弱光感知与实时图像预处理能力。该器件通过非对称MoO3插入形成的p–p⁻/p⁻–p可切换同质结，在零偏压下实现自供电双向光响应，功能上模拟了视网膜中ON/OFF双极细胞的拮抗信号处理机制。该器件在极弱光照下（低至1 pW）仍保持超过107的光电流开关比、0.31 A/W的响应度和1.03×1012 Jones的探测率，感知动态范围显著超越以往视网膜形态器件。通过栅压编程，器件可实时执行边缘增强、运动跟踪等卷积处理，并实现多种可重构光电逻辑门（AND、NAND、XNOR、NOT）与加密光通信，为智能视觉系统提供了高度集成的传感计算一体化平台。

图1. 视网膜仿生WSe2/MoO3同质结器件的结构与表征。 (a) 人类视网膜示意图及对应的ON型和OFF型双极细胞光响应；以及视网膜仿生同质结器件及其正、负光响应特性示意图。(b) 器件的光学显微镜图像。(c) WSe2/MoO3界面的横截面透射电子显微镜图像及相应的元素分布图。(d) 器件在黑暗和405 nm光照下的转移特性曲线（Vd=0 V）。(e) 在Vg=0 V时，器件在不同功率405 nm激光照射下的Id-Vd曲线。(f) 在Vg=60 V时，器件在不同功率405 nm激光照射下的Id-Vd曲线。

器件性能：栅压可控的双向光响应性能

该器件在零偏压下具备自供电探测能力，在405 nm光照、351 μW功率下，暗电流仅为0.1 pA，光电流达0.96 μA（Vg=0 V）与-0.42 μA（Vg=60 V），光电流开关比高达107，并且有着0.31 A/W的响应度和1.03×1012 Jones的探测率。

图2. WSe2/MoO3器件的光电测量。 (a) 器件在激光调制（405 nm, 0.8-351 μW, Vd = 0 V, Vg= 0 和 60 V）下的明暗电流比和 (b) 短路电流动态响应。(c) 在Vd=0 V, Vg=0 V 和 60 V下测量的时间分辨光响应。(d) 在Vd=0 V, Vg=0 V下记录的器件噪声谱密度。(e) 在Vd=0 V, Vg=0 V, 405 nm光照下与功率相关的响应率。(f) 在Vg=0 V 和 60 V的黑暗条件下，WSe2/MoO3器件的Id-Vd曲线（Vd从-3 V扫描到3 V）。(g) 在黑暗条件下（Vd=1 V），单个WSe2晶体管和WSe2/MoO3晶体管在双扫测量下的转移特性曲线。(h) WSe2/MoO3异质结区域的开尔文探针力显微镜图像和表面电势分布图。(i) 解释正、负光伏效应的工作机制与能带结构示意图。

传感计算一体与多模态逻辑

器件不仅可作为高灵敏度视觉传感器，还可通过栅压、偏压与光输入的多参数调控，在单一器件内实现AND、NAND、XNOR、NOT等多种可重构逻辑功能，并构建双层加密光通信系统。

图3.WSe2/MoO3同质结器件的可重构逻辑门及其加密应用。 (a 在栅极调控下，利用双输入（Vd和光照射）实现AND/NAND逻辑门，以及利用Vd和Vg作为输入实现XNOR/NOT逻辑门。(b) 所实现逻辑运算的真值表。光电逻辑门的实验演示：(c) AND, (d) NAND, (e) XNOR, (f) NOT。(g) 双层加密系统示意图。(h) 加密流程：明文→ASCII码→通过XNOR逻辑生成密文。(i) 解密过程：密文+密钥→XNOR运算→恢复的明文（示例解密文本："S"，"X"，"H"）。

弱光成像与动态视觉处理

基于器件的超高光敏性，构建单像素成像系统，在低至1 pW光照下清晰重建“Te”图案。通过编程化光响应矩阵，实现基于Prewitt算子的实时边缘检测与运动目标跟踪，验证其在极弱光环境下的动态视觉处理能力。

图4. (a) 基于WSe2/MoO3器件、在405 nm激光照射下的单像素成像系统示意图。(b) 在超低功率405 nm激光照射下重建的"Te"掩模图像。(c) Prewitt-x边缘检测结果。(d) 基于Prewitt算子的多方向边缘融合处理结果。(e) Prewitt-y边缘检测结果。不同卷积运算的实验结果与使用标准卷积核获得的模拟结果进行对比。(f) 利用双向光伏效应进行运动目标检测的处理过程与机制解析。

性能突破：极弱光下的高灵敏度与自供电成像

该器件在零偏压下具备自供电探测能力，在405 nm光照、351 μW功率下，暗电流仅为0.1 pA，光电流达0.96 μA（Vg=0 V）与-0.42 μA（Vg=60 V），光电流开关比高达107。在低至1 pW（0.01 μW/cm2）的极弱光下，仍可实现清晰单像素成像，展现了卓越的弱光视觉能力。

系统集成：传感计算一体与多模态逻辑

器件不仅可作为高灵敏度视觉传感器，还可通过栅压、偏压与光输入的多参数调控，在单一器件内实现AND、NAND、XNOR、NOT等多种可重构逻辑功能，并构建双层加密光通信系统。此外，通过编程化光响应矩阵，器件可模拟Prewitt等卷积核，直接在传感层实现边缘检测与运动跟踪，避免了数据搬迁与外部计算，大幅降低延迟与能耗。