客户成果丨复旦大学团队研发红外感存算 ReSe₂ 光电忆阻器阵列，推动低功耗智能红外视觉硬件发展

复旦大学信息科学与工程学院丛春晓、刘冉、胡来归团队在红外感存算与二维光电忆阻器阵列领域取得最新进展，该研究成果以 “Infrared In-Sensor Computing with ReSe2 Photoelectric Memristor Arrays” 为题发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。

1. 摘要

红外视觉系统在低照度、烟雾遮挡和低对比度场景中具有重要作用，是自动驾驶、安防监测、医学成像和智能机器人等应用中的关键感知技术。然而，传统红外成像系统通常采用传感、存储和计算分离的架构，红外图像需要先由探测器转换为电信号或数字信号，再传输至外部存储和处理单元完成计算。这一流程会带来明显的数据搬运开销、延迟和能耗，限制了其在边缘端实时智能感知中的应用。

针对这一问题，复旦大学团队构建了一种基于 ReSe2/DIPAB 异质结构的红外感存算一体化光电忆阻器阵列。该器件以大面积生长的近红外敏感二维半导体 ReSe2 作为沟道材料，并引入有机铁电材料 DIPAB 的面内极化调控，实现了红外感知、非易失存储和加权计算在同一硬件平台中的融合。器件可在零偏压下工作，表现出多级、非易失且高度线性的自驱动光响应调制，为红外图像的原位感知和计算提供了硬件基础。

研究团队进一步构建了 5 × 9 光电忆阻器交叉阵列，将红外图像直接投射到阵列上，通过器件内禀的光电乘法和列电流求和实现图像识别。该系统无需中间数据转换、外部计算单元或持续偏压辅助，即可完成 “I”、“R”、“D” 等红外图案的原位分类，并在噪声干扰下保持清晰的分类边界。这项工作展示了 ReSe2 铁电光电忆阻器阵列在紧凑型、低延迟、低功耗红外智能视觉硬件中的应用潜力。

2. 工作内容

图 1 红外感存算系统与 ReSe2/DIPAB 光电忆阻器阵列结构示意图。

图 1 展示了本工作的整体设计思路和硬件实现方式。与传统红外视觉系统不同，红外光信号被直接作为输入投射到光电忆阻器阵列中，阵列中的每个器件同时承担感知单元和可编程权重单元的功能。入射光强与预先写入的光响应权重在器件端发生耦合，并通过列电流自然求和完成分类计算，从而在传感端直接实现红外图像识别。

器件采用横向光电忆阻器交叉阵列结构，SiO2 绝缘层用于隔离交叉电极，ReSe2 提供近红外光敏通道，DIPAB 铁电薄膜则通过极化诱导电场非易失地调控 ReSe2 的能带和界面势垒。图中展示的 5 × 9 阵列及其测试平台证明，该结构能够被加工成可寻址、可编程的阵列，为红外感知-存储-计算融合奠定了器件基础。

图 2 大面积ReSe2 薄膜的生长与均匀性表征。

为了实现阵列级集成，材料的大面积均匀性是关键前提。该工作采用 BiOCl 辅助化学气相沉积方法制备厘米级 ReSe2 薄膜。XPS 测试显示 Re 和 Se 元素具有清晰的化学价态特征，Re:Se 原子比例接近 1:2，说明薄膜具有较好的化学纯度和化学计量比。

拉曼映射进一步验证了薄膜从微米尺度到厘米尺度的空间均匀性。在 10 μm × 10 μm 区域内，特征拉曼强度的相对 RMS 波动仅为 0.214%；在 10 mm × 10 mm 薄膜上 25 个位置的多点测试中，约 160 cm-1 模式的相对 RMS 波动为 0.893%。这种高均匀性对于降低器件间差异、保证阵列光响应一致性和提升硬件识别可靠性具有重要意义。

图 3 铁电调控的 ReSe2 光电忆阻器突触特性。

图 3 展示了 ReSe2/DIPAB 光电忆阻器的结构、铁电调控机制和光电突触性能。器件中，DIPAB 的剩余极化能够非易失地调控 Cr/Au-ReSe2 接触处的肖特基势垒，使沟道电导和自驱动光电流随极化状态发生可逆变化。PFM 振幅和相位回线验证了 DIPAB 薄膜的铁电翻转行为，而连续极化循环下的 I-V 曲线则显示器件具有多级稳定电导状态。

在红外光照和零偏压读出条件下，器件可通过电脉冲实现长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）式的光电流调制。正向和反向调制过程的线性拟合系数分别达到 98.9% 和 99.4%，说明该器件适合用于模拟突触权重的高精度写入。进一步测试表明，自驱动光电响应在 104次极化循环后仍保持稳定，并在 1000 s 保持测试中表现出良好的非易失性。器件在 532-1342 nm 波段均具有明显光响应，其中 905 nm 条件下的零偏压响应可用于后续红外硬件演示。

图 4 ReSe2 光电忆阻器阵列在红外图像原位识别中的应用。

图 4 展示了基于 5 × 9 ReSe2 光电忆阻器阵列的红外图像识别实验。阵列被配置为一个简单的单层分类网络，其中三个相邻器件构成一个有效像素，并分别连接至三个输出通道，用于识别 “I”、“R”、“D” 三类红外图案。红外图像投射到阵列后，各像素产生的光电流与局部存储的光响应权重相乘，并按照基尔霍夫电流定律在列端自然求和。

实验测得的光电流图能够较好地还原输入红外图案，说明阵列可以在硬件层面完成图像感知和加权编码。通过将训练得到的权重映射到器件的正、负光响应状态，阵列能够直接实现兴奋性和抑制性权重，而不需要额外的差分读出电路。在加入 σ = 0.1、0.2 和 0.3 的噪声条件下，分类训练仍能收敛；实际硬件输出中，每一类输入图案对应的目标输出通道均明显高于其他通道，体现了良好的分类裕度和抗噪声能力。

总体来看，该工作通过二维 ReSe2 的红外敏感性与 DIPAB 铁电极化的非易失调控相结合，实现了红外感知、存储和加权计算的一体化。该阵列不依赖传统图像采集-存储-计算分离流程，为构建面向边缘端的低功耗红外智能视觉芯片提供了可行路径。

该工作中通过使用 TuoTuo Technology 的无掩模光刻系统完成了器件图案化与阵列制备。

作者信息介绍：复旦大学博士生盛晨旭为论文第一作者，丛春晓教授、刘冉教授、胡来归研究员为通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.6c02968