【儀表網 研發快訊】在人工智能技術飛速發展的今天，如何讓計算機硬件像人腦一樣，能夠以超低功耗同時處理和存儲信息，是科學家們孜孜以求的“圣杯”。近日，西安交通大學前沿科學技術研究院的邵金友教授、孫柏教授團隊，在被譽為“下一代腦啟發計算核心器件”的光電憶阻器領域取得顛覆性進展。該研究成果發表于國際材料領域權威期刊《先進材料》(Advanced Materials)。他們巧妙運用一種常見的食品添加劑，從原子層面“鎖住”了關鍵材料制備中的缺陷，不僅制備出性能卓越的無鉛鈣鈦礦薄膜，更成功構建了能同時響應光與電信號的全新智能器件。這一突破，為開發真正意義上的“光-腦”融合芯片，以及實現精密的全光控生物醫療系統，點亮了清晰的技術路徑。
攻克產業化“攔路虎”：從源頭封印薄膜缺陷
當前，以數據驅動的人工智能正面臨嚴峻的“能耗墻”挑戰。受傳統馮·諾依曼架構限制，數據的計算與存儲分離，導致大量能量和時間消耗在數據搬運過程中。模仿生物神經元與突觸工作機制的憶阻器，被認為是打破這一瓶頸、實現存算一體的理想硬件基礎。而當憶阻器“遇見”對光異常敏感的鈣鈦礦材料時，便誕生了更強大的光電憶阻器——它能夠像視覺神經一樣，直接感知、處理光信號，并將信息存儲于自身電阻狀態的變化中，為構建超低功耗的視覺感知與計算系統提供了可能。
然而，將實驗室的潛力轉化為穩定可靠的器件，道路并非坦途。研究團隊選用的Cs2AgBiBr6雙鈣鈦礦，因其環境友好、穩定性較佳而備受矚目，但在薄膜制備過程中，其晶體生長的“先天缺陷”卻成為性能提升的最大障礙。溶液法制備薄膜時，成核與結晶過程難以精確控制，極易產生大量名為“溴空位”的原子尺度缺陷。這些缺陷如同高速公路上的陷阱，會捕獲并湮滅光生電子，嚴重劣化材料的光電性能，導致最終器件性能低下、穩定性差。因此，如何從成核的源頭抑制缺陷產生，是鈣鈦礦光電器件走向商業化必須攻克的科學難題。
巧用“食品添加劑”：微觀世界的精準“鎖匠”
面對這一挑戰，西安交大研究團隊展現出了精巧的設計思維。他們沒有采用復雜的工藝或昂貴的原料，而是創造性地引入了一種常見、低成本的雙親性分子——“吐溫80”(Tween 80)。這種常用于冰淇淋、化妝品的表面活性劑，成為了解決尖端材料問題的“密鑰”。
團隊通過先進的原位表征與第一性原理計算，深刻揭示了吐溫80的工作機制，并提出了一個創新的“動力學封閉”模型。這個模型的精妙之處在于，吐溫80分子能像一位技藝高超的“鎖匠”，從兩個方面同時“鎖住”鈣鈦礦前驅體溶液中的離子，防止缺陷形成：
鎖陽離子，穩核心：吐溫80疏水端的酯基氧原子，能夠與鈣鈦礦結構中的銀離子(Ag?)和鉍離子(Bi³?)形成穩定的配位鍵。這種配位作用如同將金屬離子牢牢固定在其晶格中的“座位”上，顯著降低了因熱振動導致的離子逃逸傾向，從而從根本上削弱了溴離子被“擠走”形成空位的驅動力。
錨陰離子，調節奏：與此同時，吐溫80親水端的聚環氧乙烷(PEO)長鏈，可以通過靜電作用緊密錨定在晶體生長的界面，有效“吸附”住溴離子(Br?)。計算顯示，這一吸附過程是自發且穩固的。更重要的是，這些長鏈在晶體表面形成了溫和的空間位阻，如同為晶體生長設置了一個“緩沖帶”，讓結晶速度慢下來，使得溴離子有充足的時間擴散到正確的晶格位置，有序排列，從而進一步抑制了空位的產生。
通過精確調控吐溫80的添加量，研究團隊成功制備出了晶粒尺寸大、無針孔、結晶度極高的優質鈣鈦礦薄膜。其光致發光強度相比未處理的薄膜得到巨大提升，直觀證明了薄膜內部缺陷被有效抑制，光電性能實現了質的飛躍。
“光與電”的智能交響：從圖像識別到精準醫療
基于這一超凡的薄膜材料，團隊構建了高性能的鈣鈦礦基光電憶阻器。該器件展現了令人矚目的雙重智能特性：
電學突觸(ESF)：在電脈沖刺激下，它能像生物突觸一樣，實現電阻值的連續、模擬式調控。利用這一特性構建的人工神經網絡，在經典的手寫數字(MNIST)識別任務中，達到了91%的高準確率，驗證了其在低功耗類腦計算中的應用潛力。
瞬態光響應(TPR)：在光脈沖刺激下，器件展現出20毫秒的快速響應、超過930秒的超長信號保持時間以及在5赫茲頻率下超過1000次的穩定循環能力。這意味著它不僅能快速“看見”光信號，還能“長久記住”光的模式，并且極其耐用。
尤為引人注目的是，研究團隊極具想象力地拓展了器件的應用邊界。他們演示了利用不同波長(顏色)的光脈沖，即可對器件進行全光控的“寫入”與“擦除”，并以此完成了復雜的圖像處理任務。更開創性的應用是，他們設計了一種全光控的鞘內藥物注射模擬系統。在該概念驗證中，不同的光脈沖編碼可以觸發不同的、預設的藥物釋放策略，最高可支持六種獨立的釋放程序。這為未來開發無需電池、無線遠程控制、可按需精準給藥的智能植入式醫療設備，提供了革命性的硬件原型。
結語：開啟“感知-計算-執行”一體化的新紀元
西安交通大學邵金友、孫柏教授團隊的這項研究，其意義遠不止于制備了一個高性能器件。它通過一種巧妙的“封閉策略”，在微觀尺度上解決了鈣鈦礦材料制備的核心痛點，為整個鈣鈦礦光電子學提供了可借鑒的工藝與理論基礎。更重要的是，它成功地將材料優勢轉化為器件的多功能性，展示了光電憶阻器作為“光-腦”接口核心的巨大潛力。
這項成果標志著我們向“感知-計算-執行”一體化的智能系統邁出了堅實一步。未來，融合了此類器件的芯片，或許將能讓攝像頭不僅“看見”圖像，更能瞬間“理解”并“記住”場景；也能讓微型醫療機器人僅憑一束穿透皮膚的光，就在體內執行復雜的治療任務。從算力提升到生命健康，這項源自基礎材料突破的研究，正為多個前沿領域打開一扇充滿光明的未來之窗。
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