二維材料，Nature Materials重磅綜述！

隨著視覺技術的飛速發展，信息獲取與處理的需求呈爆發式增長，但傳統集成電路中數據的頻繁搬運導致了大量時間與功耗的浪費。為應對這一挑戰，存內計算等新型架構通過將存儲與計算融合，顯著縮短了數據路徑。然而，在光電傳感領域，傳統的傳感器（如 InGaAs、PbS、HgCdTe）僅承擔感知角色，傳感、存儲與計算單元在物理上相互分離，導致數據在模塊間反復傳輸，產生冗余功耗。更重要的是，傳統僅利用強度（振幅）信息的探測方法，難以處理波長、偏振、相位等多維光學信息，形成了電學與光學信息之間的維度失配。盡管衍射光柵、超表面等光學結構可提取部分多維信息，但單元間的物理分離又會帶來能量損耗與器件尺寸增大的問題。

鑒于此，來自中國科學院上海技術物理研究所胡偉達研究員，香港理工大學柴楊教授，美國圣路易斯華盛頓大學Sang-Hoon Bae教授概述了基于新興二維材料的集成傳感器進展，并在統一的信息編碼框架下，將電學輸入與光學場景進行對比。討論了集成傳感器的廣闊機遇，強調了不同維度信息編碼的要求與差異，并探索了集成傳感器在其他領域的應用潛力。相關文章以題為“Two-dimensional materials for integrated sensing”發表在最新一期《nature materials》上。

圖 1 | 新型整合的前沿材料

從電學輸入到光學輸入的轉變

基于電學輸入的阻變材料可在高阻態與低阻態之間切換，實現線性MAC操作。然而，光學輸入包含了振幅、時間、波長、偏振、相位等多個維度的信息（圖2b），對新型傳感范式提出了更高要求。受電學MAC操作啟發，可調響應度特性使傳感器能夠通過向量操作實現線性光電MAC運算。在空間維度上，傳感器陣列中的每個像素可對入射光強與可編程響應度進行逐元素乘法，實現圖像卷積操作（如Sobel、高斯濾波等），從而在硬件層面直接提取邊緣、模糊等視覺特征。在時間維度上，二維材料的可調載流子動力學可實現對不同時間尺度視覺輸入的整合，其響應度既可以是易失性的（如指數衰減，用于運動感知），也可以是非易失性的（用于多級視覺信息存儲）。進一步地，廣義的MAC操作可擴展至包含空間坐標、時間、波長、偏振和相位的高維張量，而二維材料的獨特性質使得通過電柵控、范德華異質結構建或缺陷態調控，實現對高維光學信息的選擇性與可編程編碼。

圖 2 | 從電輸入過渡到光輸入

用于集成傳感的二維材料

二維材料具有大比表面積、弱范德華相互作用、低暗電流等特性，對外界擾動敏感，具備寬范圍可調性。它們能夠編碼多維度光學信息：對于振幅通道，可通過場控形成面內p-n結，實現高線性度與可調響應度；對于時間通道，材料中的缺陷態可引入陷阱態，延長載流子壽命，從而編碼瞬態或持久光電流；對于波長通道，通過斯塔克效應等機制可調控能帶隙，改變光譜響應范圍；對于偏振通道，可通過打破空間反演對稱性，利用體光伏效應實現偏振信息編碼。此外，二維材料支持原子級別的精確調制，例如通過堆疊、滑動、旋轉等自由度實現摩爾光子學與光電子學應用。二維材料還能解鎖基于單晶的單片三維集成，其無懸掛鍵的范德華界面可避免晶格失配問題，且具有高熱導率，有助于降低熱致電荷泄漏。兩種主流的集成策略包括：將二維材料傳感器陣列在制造后期轉移到CMOS芯片上，或完全用二維材料構建垂直堆疊的柔性系統。

用于光譜編碼的二維材料

光譜編碼器件本質上是一類響應可調的光探測器，其機制涵蓋光導效應、光伏效應、光熱電效應和光輻射計效應。斯塔克效應可通過強柵壓降低能帶隙，擴展吸收光譜，例如黑磷的帶隙可調制數百毫電子伏特，覆蓋中紅外至長紅外波段（圖3a）。電化學機制則利用鋰離子嵌入/脫出改變石墨烯的費米能級，實現光譜響應的顯著變化（圖3b）。能帶工程通過p-n結調控載流子輸運機制（熱電子發射、隧穿等），實現多色響應（圖3c）。體光伏效應在非中心對稱材料中產生穩態光電流，例如扭曲的雙層石墨烯在5μm和7.7μm波長處表現出可調的中紅外圓光電流效應（圖3d）。激子效應在二維材料中結合能高達500 meV，可在室溫下產生帶隙以外的光響應（圖3e）。光譜重建過程包括前端調制（焦平面分割或時間分割）與后端解碼（光譜反演或神經網絡）。性能評估的關鍵參數包括響應度、響應時間、區分狀態數、光譜范圍和能效等（圖3g, h）?；诠夥钠骷€性度高、能耗低，但響應度較低；基于光導效應的器件響應度高，但線性度受限。

圖 3 | 用于光譜編碼的二維材料

用于時間編碼的二維材料

時間編碼器件更像是由光學輸入驅動的存儲器，其機制包括電荷陷阱、浮柵存儲、鐵電效應、氧化還原/空位遷移和相變。電荷陷阱導致的光電導變化通常是易失性的，呈指數衰減（圖4a）。浮柵存儲器中，光激發可使浮柵層中的電子逃逸到溝道，二維材料可定制勢壘高度，將入射光波長擴展至近紅外范圍（圖4b）。鐵電異質結（如MoS?/鈦酸鋇）中，光生載流子會屏蔽極化電場，導致異常的鐵電響應（圖4c）。氧化還原與空位遷移在二維材料中更為顯著，例如氧空位在石墨烯/MoS???O?/石墨烯結構中的遷移導致電極的還原或氧化（圖4d）。相變機制在MoTe?等材料中尤為突出，光誘導的Te空位可使2H相轉變為1T'相（圖4e）。在運動檢測應用中，時間編碼分為單幀記憶（非易失性）和多幀記憶（易失性）兩種方式（圖4f）。浮柵存儲器具有高開關比和快速編程速度，但開關能量較高；陷阱基器件結構簡單、功耗低，但編程速度受限（圖4g, h）

圖 4 | 用于時間信息編碼的二維材料

挑戰與展望

盡管二維材料在集成傳感領域取得了令人振奮的進展，但仍面臨若干關鍵挑戰。首先是超薄本性與吸收率之間的固有矛盾：靜電調制（如斯塔克效應）僅在少層二維體系中高效，超過10 nm后因介電屏蔽效應而迅速減弱。對于需要高吸收率的體材料應用，III-V族化合物半導體可能是更好的選擇；但對于超表面、波導等長光-物質相互作用場景，二維材料的超強光電響應可克服這一挑戰。其次，器件的響應度、可重構性和耐久性高度依賴于二維材料的質量。機械剝離法雖質量高，但難以工業化；液相剝離法可批量生產，但質量較差。目前，化學氣相沉積法是大規模生長的首選，而通過幾何限域生長策略，已在晶圓尺度上合成了單晶WSe?和MoS?陣列。此外，二維材料與現有半導體制造工藝（如后道工序）兼容，可實現高密度集成（圖5d）。未來的重要方向是實現集成傳感層的三維垂直堆疊，將光譜編碼與時間編碼等功能集成于單芯片上，縮短電學與光學路徑，降低能量損耗。最后，集成傳感的多維信號不僅限于光學通道，還可擴展至應變、濕度、生物信號等，在柔性可穿戴設備與植入式生物傳感器中具有廣闊前景。結合先進算法，集成傳感器將有望徹底打破傳統分立架構的桎梏，開創感知與計算深度融合的新紀元。

圖 5 | 基于二維的集成傳感器的挑戰與展望