西交大邵金友/孙柏等：光谱分区全光忆阻器实现高线性神经形态视觉系统

Spectrally Partitioned All-Optical Memristors for Highly Linear Neuromorphic Vision Systems

Junchao Zhang, Bai Sun*, Songling Wang, Guangdong Zhou, Linfeng Sun, Zelin Cao, Kaikai Gao, Xiaojun Li, Xiaoliang Chen, Jinyou Shao*

Nano-Micro Letters (2027)19: 42

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02331-4

本文亮点

1. 光谱分区，一“光”一“职”：提出基于PbS/PEDOT:PSS/VOₓ异质结构的光谱分区全光忆阻器。不同波长不再只是产生不同强度的光响应，而是分别激活不同的载流子动力学通道：近红外光驱动电导增强，可见光驱动电导抑制，从而在同一器件中实现全光双向权重调控。

2. 高线性、高精度、低增量电学能耗：器件实现高度线性和对称的双向权重更新，整体线性度达到0.9994，具备256个可编程电导态，对应有效8-bit权重分辨率；在0.001 V探测偏压下，按25 ms光脉冲引起的增量电流估算，单次光诱导突触事件的增量电学能耗约为0.63 fJ。

3. 从器件走向硬件视觉系统：构建32 × 32全光编程忆阻阵列，实现存内卷积和BloodMNIST显微血细胞图像硬件推理；在8-bit映射条件下，分类准确率达到96.5%，并表现出良好的噪声鲁棒性。

研究背景

随着人工智能向边缘端和感知端发展，传统冯·诺依曼架构中存储与计算分离带来的频繁数据搬运，逐渐成为制约能效和并行处理能力的重要因素。神经形态计算通过模拟生物突触的信息存储与处理机制，为低功耗、高并行智能硬件提供了新的路径。尤其在视觉任务中，若能直接利用光信号调控忆阻器突触权重，可进一步减少光电转换及外围电路开销，因此全光忆阻器受到广泛关注。然而，现有器件仍存在光电协同写入、权重更新非线性、增强与抑制不对称及快速饱和等问题。更重要的是，多数器件虽然能响应不同波长，但不同光谱通常仅引起响应幅值变化，难以在同一器件中分别实现权重增强与抑制。因此，如何利用不同波长实现线性、可逆、高精度的全光双向权重调控，并兼顾阵列级神经形态计算，是该领域面临的关键挑战。

内容简介

针对现有全光忆阻器中双向权重调控难以兼顾高线性、高精度与阵列集成的瓶颈，西安交通大学邵金友教授和孙柏教授团队提出了一种基于PbS/PEDOT:PSS/VOₓ异质结构的光谱分区全光忆阻器，利用不同波长选择性激活方向相反的载流子动力学通道，实现全光双向突触权重调控。在近红外光照射下，PbS量子点产生的光生电子经PEDOT:PSS界面调控后逐步注入VOₓ中的氧空位相关缺陷态，使器件电导连续增强；在可见光照射下，VOₓ产生的光生空穴促进界面复合，使缺陷态电子逐渐耗尽，从而实现电导抑制。不同波长由此分别承担“增强”和“抑制”两种相反的权重更新功能。得益于这种光谱分区调控策略，器件实现了高度线性、对称的全光双向权重更新，并获得有效8-bit电导分辨率。进一步构建的32 × 32全光编程忆阻阵列实现了存内卷积和BloodMNIST显微血细胞图像硬件推理，分类准确率达到96.5%。该策略将“光谱响应”进一步转化为“光谱功能分工”，为高线性、低功耗和光谱可编程神经形态视觉硬件提供了新的器件设计思路。

图文导读

I 从人类视觉到全光忆阻视觉系统：构建光谱分区异质结构

如图1所示，研究首先从人类视觉系统出发构建全光神经形态视觉架构。在生物视觉系统中，外界光信号由视网膜感光细胞接收并转换为神经信号，随后经过神经网络传递和处理。与之对应，人工系统利用光信号直接调控忆阻器阵列中的电导状态，并将这些状态作为神经网络权重参与后续视觉信息处理。

为实现这一功能，研究团队构建了PbS/PEDOT:PSS/VOₓ多层异质结构忆阻器，并进一步制备出32 × 32交叉阵列。其中，PbS量子点具有明显的近红外吸收，而VOₓ在可见光区域具有较强吸收，为不同波长选择性激活不同载流子过程提供了材料基础。进一步的EPR和XPS结果揭示出不同波长照射后VOₓ缺陷态占据状态呈现相反变化：近红外照射促进缺陷态电子填充，而可见光照射则导致缺陷态电子耗尽，从实验上支持了光谱分区调控机制。

图1. 全光神经形态视觉系统、32 × 32忆阻阵列及PbS/PEDOT:PSS/VOₓ异质结构的结构与光谱表征。

II 光谱分区与双向可塑：近红外增强、可见光抑制

生物突触能够同时接受兴奋性和抑制性信号，并据此增强或削弱突触连接。受此启发，研究团队将不同波长的光分别作为两类突触输入。当器件受到 980 nm近红外光刺激时，产生正向兴奋性突触电流，并逐渐提高突触权重；当受到 525 nm可见光刺激时，则产生抑制性响应并降低突触权重。也就是说，无需额外的电写入脉冲，仅通过改变光的波长即可决定权重更新方向。在此基础上，器件进一步模拟了成对脉冲易化/抑制、频率依赖可塑性、学习—遗忘—再学习以及STDP等典型突触行为，说明这种光谱分区机制不仅能够完成简单的“开—关”响应，还能够支持连续、时间相关的突触状态演化。

其物理机制可以概括为：980 nm光负责“填充”，525 nm光负责“清空”。在980 nm近红外光照射下，PbS量子点作为主要吸光层产生光生电子，PEDOT:PSS界面层调节电子向VOₓ的传输并抑制突发注入，使电子逐步填充VOₓ中的氧空位相关缺陷态，从而实现电导连续增强；在525 nm可见光照射下，光吸收主要发生于VOₓ，产生的空穴在PEDOT:PSS/VOₓ界面促进与缺陷态电子的复合，使缺陷态逐渐耗尽并引起电导降低。由此，不同波长分别承担“增强”和“抑制”两种相反的权重调控功能，实现无需电写入脉冲的全光双向突触调控。

图2. 光谱调控的全光突触可塑性及载流子动力学机制。

III 接近理想直线的全光权重更新：兼顾8-bit精度与超低电学能耗

对于神经网络硬件而言，仅仅能够改变电导还远远不够。权重如果变化过快、过慢或者高度非线性，即使器件能够实现数百个状态，也很难准确映射网络训练得到的权重。PEDOT:PSS界面层在这里发挥了关键作用。通过调节PbS与VOₓ之间的界面载流子输运并抑制突发式电子注入，器件获得了近似线性的连续电导变化。实验结果显示，在980 nm增强和525 nm抑制过程中，归一化电导与脉冲数量几乎保持理想线性关系，拟合R²分别达到0.9997和0.9991。同时，器件实现了256个连续可编程电导状态，即有效8-bit权重分辨率，代表性状态在10⁴ s尺度仍能够保持明显区分。更重要的是，在0.001 V探测偏压下，25 ms光脉冲引起约25.19 pA的增量电流，对应单次光诱导突触事件的增量电学能耗约为0.629 fJ。该数值是依据探测偏压和增量电流估算的器件端电学能耗，不等同于光源或整个系统的总能耗。

图3. 高线性、高分辨率和低电学能耗的全光权重更新性能。

IV 从“记住权重”到“直接计算”：全光忆阻阵列实现存内卷积

在获得高线性和多级权重以后，研究团队将器件用于视觉信息处理并探究其实际计算能力。研究采用BloodMNIST显微血细胞图像作为输入，将卷积核权重编码为忆阻器的多级电导状态，并利用 3 × 3忆阻权重矩阵直接执行模拟乘累加计算，从而将权重存储与卷积运算整合在同一阵列中。

研究分别实现了图像锐化、Prewitt-Y、对角边缘检测和Sobel-X等多种卷积算子。硬件输出图像能够有效提取细胞轮廓和局部视觉特征，证明器件的多级全光权重不仅能够被稳定存储，也能够真正用于阵列级模拟视觉计算。这一结果完成了一个非常重要的跨越：工作不再停留在单个忆阻器上模拟几个突触功能，而是把器件状态进一步变成了能够执行视觉卷积运算的真实硬件权重。

图4. 基于全光忆阻阵列的存内卷积及多种视觉特征提取结果。

V 32 × 32全光忆阻阵列实现96.5%的血细胞图像分类

在存内卷积的基础上，研究团队进一步构建端到端神经形态推理框架。神经网络训练后的权重首先映射到实验可访问的忆阻电导状态，再由32 × 32忆阻阵列执行硬件推理。为表达神经网络中的正、负权重，系统采用差分电导映射方式，即通过两个器件电导之差构建双极性权重。随着权重量化精度下降，网络分类性能逐渐降低，而采用器件实际能够提供的 8-bit电导状态进行映射时，硬件推理结果已经非常接近浮点软件模型，BloodMNIST测试准确率达到 96.5%。最终，研究构建了包含忆阻阵列、FPGA控制、DMD光学寻址以及外围读出模块的实验平台，实现从全光权重写入到阵列硬件推理的系统级验证。

图5. 基于32 × 32全光忆阻阵列的神经形态硬件平台及BloodMNIST图像分类。

VI 总结

本研究提出了一种基于PbS/PEDOT:PSS/VOₓ异质结构的光谱分区全光忆阻器，通过不同波长选择性激活方向相反的载流子动力学过程，实现了同一器件中的全光双向突触权重调控。在近红外光照射下，PbS产生的光生电子经PEDOT:PSS界面调节后逐渐填充VOₓ中的氧空位相关缺陷态，使电导连续增强；在可见光照射下，VOₓ产生的空穴促进缺陷态电子复合，使电导逐渐降低。通过这种“光谱分工”，研究实现了高度线性、对称和可逆的全光权重更新。器件进一步获得了0.9994的权重更新线性度、有效8-bit电导分辨率以及约0.63 fJ的单次光诱导事件增量电学能耗，并成功扩展至32 × 32忆阻阵列。基于该阵列，研究实现了存内卷积以及BloodMNIST显微血细胞图像硬件分类，8-bit映射下准确率达到96.5%。这项工作表明，可以利用光谱作为新的功能自由度，在材料层面分配不同波长所承担的权重调控方向，为构建高线性、低增量电学能耗和光谱可编程的神经形态视觉硬件提供器件与材料设计思路。

作者简介

孙柏

本文通讯作者

西安交通大学教授

▍主要研究领域

主要研究方向为忆阻器的制备及其在人工智能和智慧医学中的应用。

▍主要研究成果

西安交通大学教授、博士生导师，国家级青年人才，入选西安交通大学青年拔尖人才支持计划A类。以第一作者或通讯作者在Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano-Micro Lett.等期刊发表SCI论文100余篇，论文总引用超过10800次(Google Scholar)，H指数55，获授权发明专利约20项。

▍Email：baisun@xjtu.edu.cn

邵金友

本文通讯作者

西安交通大学教授

▍主要研究领域

主要从事微纳制造、电子皮肤与可穿戴电子、生物仿生与软体机器人、医工交叉等方面的研究。

▍主要研究成果

西安交通大学教授、博士生导师，西安交通大学副校长，国家高层次人才。担任国家自然科学基金“纳米制造的基础研究”重大研究计划重大集成项目首席科学家、国家重点研发计划项目首席科学家，并参与国家第六次科技预测(2020-2035规划)极端制造领域及“十四五”国家重点研发计划“高性能制造技术与重大装备”重点专项指南论证工作。

▍Email：jyshao@xjtu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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