延世大学Hyun Jae Kim等：深度学习解耦实现光温独立解析的柔性双模态传感晶体管

Flexible Dual-Modal Sensing Transistor Enabled by Deep Learning Decoupling for Independent Light and Temperature Reconstruction

Shilin Lu, Ji Hoon Han, Dong Keun Lee, Sun Min Song, Huixin Yu, Sujin Jung, Lu Zhang, Zhao Yao, Jong Bin An* & Hyun Jae Kim*

Nano-Micro Letters (2026)18: 429

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02251-3

本文亮点

1. 器件创新制备:研发柔性双模态传感晶体管，可同步检测光信号与温度信号。

2. 优异综合性能:器件宽波段光响应度达 2.69 A/W，温度系数 0.071 ℃⁻¹，大弯折形变下工作稳定。

3. 智能解耦策略:多偏置电特征搭配轻量化神经网络，精准解析光强与温度，适用于可穿戴环境监测。

研究背景

全光热双模态感知是智能穿戴、电子皮肤与自主感知系统的核心基础，可实现复杂环境下多维度物理信号的协同采集与精准研判，在环境监测、智能设备、工业安防等领域具备重要应用价值。当前一体化光热传感器件多依托热电、热释电效应实现双模响应，存在显著技术短板：其光信号依赖间接光热转换机制，无法独立感知光学信息，且仅能检测温度变化量，无法精准获取绝对温度。同时，现有器件多采用刚性材料体系，机械柔韧性差、难以微型化，光热信号串扰问题突出，无法实现两种信号的精准解耦与独立检测，严重限制了柔性可穿戴智能感知设备的发展与实际应用。

内容简介

韩国延世大学Hyun Jae Kim团队构筑了一种基于氧化锌纳米纤维/铟镓锌氧化物结构的柔性双模态传感晶体管，可在单一器件内同步实现光、温度信号的独立检测。研究利用缺陷辅助亚带隙激发与热激活界面电势调制机制，赋予器件优异的双模传感性能，其宽波段光响应度达2.69 A/W，温度系数为0.071 ℃⁻¹。研究采用多偏置读取策略对耦合的光热信号进行电学特征编码，并结合轻量化多层感知机神经网络完成信号解耦重构，光强与温度拟合决定系数可达0.99。该器件具备出色的机械稳定性，可耐受万次弯折及小半径极端形变。研究进一步搭建低功耗可穿戴监测系统，实现户外复杂环境下光热信号无串扰实时监测，为解决多模态传感串扰难题、构建高性能智能人工感知体系提供了通用技术方案。

图文导读

I 引言

多模态感知是生物智能与人工智能系统的核心基础，可融合多种物理信号实现环境自适应决策。光热双模态检测在复杂场景中至关重要，广泛应用于智能汽车、农业监测、可穿戴设备及工业预警领域(图1a)。但现有热电、热释电器件(图1b)存在明显缺陷：依赖间接光热转换、无法检测绝对温度、柔性与集成度差，且光热信号难以区分。针对该难题，本文开发了柔性双模态传感晶体管(FDST)(图1c)，将氧化锌纳米结构与IGZO薄膜晶体管结合，通过多偏置电学编码与轻量化神经网络解耦算法，实现光强与绝对温度的独立精准检测，并成功搭建可穿戴光热双模态监测系统。

图1. 柔性双模态传感晶体管(FDST)的设计与制备。

II 器件结构设计与材料表征

本文明确了柔性双模态传感晶体管的叠层结构(图2a)，并优化了静电纺丝工艺，确定15 kV为制备氧化锌纳米纤维(ZnO NFs)的最优电压，可获得粒径均匀的纤维网络。退火处理可稳定纤维结构，优化后的ZnO NFs为纯六方纤锌矿晶型(图2c)。XPS深度剖析证实ZnO/IGZO异质结分层清晰(图2d-g)，ZnO层富含氧空位与羟基基团，与IGZO层化学状态差异显著。通过紫外-可见吸收光谱与紫外光电子能谱测试(图2h-i)，获取两种材料的光学带隙、功函数及价带能级参数，成功构建了完整的异质结能级匹配模型。

图2. 柔性双模态传感晶体管(FDST)的结构构型与材料表征。

III FDST的光学传感性能

电学测试表明，所制备FDST器件迁移率、开关比等参数优异，具备良好的循环稳定性与低滞后特性。对照实验证实，纯IGZO器件无光响应，证明ZnO纳米纤维是光响应的核心功能层。FDST可随光照强度稳定调控电学性能，最大光响应度达2.69 A/W，比探测率可达1.1×10⁸ Jones(图3a)。器件具备优异的光强分辨能力与快速响应特性，上升/弛豫时间分别为83 ms、110 ms，且百次光开关循环性能衰减极低(图3b-d)。其光响应源于ZnO缺陷辅助亚带隙激发的光栅控效应，有限元仿真验证了光诱导电势调控机制(图3e-f)，该器件综合光探测性能优于多数同类器件(图3g)。

图3. 柔性双模态传感晶体管(FDST)的光学传感性能与机理。

IV FDST的热学传感性能

温度测试表明，纯IGZO器件几乎无温度响应，证实ZnO纳米纤维是FDST温度传感的核心功能层。20–80 ℃范围内，FDST电学特性随温度可逆、连续可调，温度系数达0.071 ℃⁻¹，可精准分辨微小温变，具备秒级快速响应速度与优异的热循环稳定性(图4a–d)。其测温机制源于热激活诱导的ZnO表面氧脱附与脱羟基反应，通过界面电容耦合调控IGZO沟道导电性(图4e)。湿度干扰测试表明高湿仅轻微降低传感灵敏度，器件抗湿干扰能力良好。有限元仿真验证了热致电势调控机理，多维度性能对比证实该器件综合传感性能优异(图4f、4g)。

图4. 柔性双模态传感晶体管(FDST)的温度传感性能与机理。

V 多偏置电学特征指纹用于外界刺激信号重构

单一栅压下FDST的电流信号存在光热响应耦合歧义，无法实现两种信号独立解析。本文构建三偏置电学指纹向量，将一维耦合响应转化为高维可分特征，实现单器件光热信号解耦。通过对比线性回归、支持向量回归、XGBoost及多层感知机(MLP)等模型(图5a-c)，优选轻量化三层MLP作为解码算法，模型训练收敛速度快、拟合精度高(图5d-f)。测试集光强与温度预测R²分别达0.992与0.989(图5g-i)，误差分布均匀。各项交叉干扰量化指标优异，模态正交度达0.94，证实该策略可高效消除光热串扰，实现高精度独立信号重构。

图5. 用于光强、温度信号解耦的回归模型评估与实现。

VI 系统集成与真实环境监测

基于MLP解耦模型，搭建了可穿戴双模态监测系统(WDMS)(图6a)。系统搭载三通道增益适配电路、高精度模数转换模块与STM32主控单元，可本地运行预训练模型，以1秒更新频率实现光温信号的实时采集、解耦与输出。通过与商用精密传感器对标，在日光直射、阴影遮挡、光热复合刺激三种户外场景完成实测(图6b-d)。系统可精准捕捉光强与温度变化，光热信号无串扰、无虚假漂移。动态循环测试表明，设备对光影、温度的突变响应迅速、回滞极小，可在复杂时变的户外环境下实现无干扰、高精度的双模态实时监测。

图6. 可穿戴双模态监测系统(WDMS)的设计、集成与实际应用。

VII 总结

本文研发了一体化柔性光温双模态传感晶体管(FDST)，通过将静电纺氧化锌纳米纤维与IGZO薄膜晶体管复合，依托缺陷光激发与热致界面电势调制机制，实现高效光热协同传感，器件光响应度达2.69 A/W，温度系数为0.071 ℃⁻¹。研究采用多偏置电学指纹编码结合轻量化MLP神经网络，有效解除光热信号串扰，光强与温度重构决定系数分别达0.992和0.989。该器件机械性能优异，经万次小半径弯折后性能稳定。基于器件搭建的可穿戴监测系统可实现户外无串扰实时环境监测，为智能穿戴感知器件与新型电子皮肤提供了高效的器件-算法协同设计方案。

作者简介

Hyun Jae Kim

本文通讯作者

韩国延世大学 教授

▍主要研究领域

有机电子器件。

▍主要研究成果

Hyun Jae Kim于1996年在哥伦比亚大学取得材料科学与工程专业博士学位，2005年至今任职于韩国首尔延世大学电气电子工程学院，担任教授。他担任ACS Appl. Electron. Mater.副主编,在Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., Nano-Mircor Lett., Nano Today, ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊发表了大量学术论文，被引用次数超过11000次，H-index为57。研究内容聚焦于先进电子功能材料，涵盖薄膜晶体管、有机发光二极管等器件方向。

▍Email：hjk3@yonsei.ac.kr

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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