东北师范大学马剑钢教授、王宏宾 AFM：γ-Ga₂O₃/ 石墨烯异质结构建双向全光人工突触用于紫外运动识别

研究背景

人工智能视觉系统要求将感知、存储与计算无缝融合，以突破传统冯·诺依曼架构因单元物理分离而带来的高延迟与高功耗瓶颈。生物视觉之所以高效，在于视网膜能在信息传向视皮层之前就地完成探测与预处理。受此启发，集感知—存储—计算于一体的光电神经形态器件被视为通向下一代人工视觉的重要路径。其中，人工突触是模拟生物突触可塑性、承载学习与记忆功能的核心单元；若能实现突触权重的全光调制，即可摆脱电学偏置、避免电流串扰，对低功耗、高速神经形态视觉尤为关键。

然而，已有的金属氧化物、有机半导体、钙钛矿及二维材料光电突触大多仍依赖光电混合调控，或受限于环境稳定性与可扩展性。即便是 Bi₂O₂Se/石墨烯、石墨烯/TiO₂ 量子点等全光体系，其双向响应也往往依赖体光电导与表面测辐射热效应的混合作用，或高度依赖外部气体分子的动态吸附，导致器件鲁棒性与可预测性下降。如何借助统一、内禀的机制实现真正稳健的全光调制，仍是一大挑战。

氧化镓（Ga₂O₃）具有超宽带隙（约4.9 eV）、优异的热/化学稳定性以及缺陷可调的光响应，是后摩尔时代光电子与神经形态计算的理想材料。其超宽带隙中引入的深能级氧空位（Vₒ）可被低能光子选择性激发；相比依赖外部气体吸附的体系，利用内禀 Vₒ 的光致电离，可提供稳健且不依赖环境的界面电荷转移调控机制。同时，相较块体或薄膜，零维量子点具有尺寸可调的光电特性、低温溶液可加工性与极高的比表面积，其巨大表面利于可逆的光驱动表面反应（如氧吸附/脱附），从而直接调制相邻沟道的载流子浓度。

成果简介

近期，东北师范大学林亚副教授、马剑钢教授、李鹏副教授与王宏彬博士后。提出并实现了一种基于 γ-Ga₂O₃ 量子点/石墨烯异质结的全光调控人工突触。器件以 γ-Ga₂O₃ 量子点作为波长选择性的光敏活性层，以石墨烯作为高迁移率导电沟道：365 nm 紫外光触发氧脱附，降低石墨烯电导，模拟抑制性突触行为；690 nm 红光经空位电离促进氧再吸附，提升电导，模拟兴奋性突触行为。这一双向全光开关机制成功再现了兴奋性/抑制性突触后电流（EPSC/IPSC）、双脉冲易化/抑制（PPF/PPD）以及短时程向长时程可塑性（STP→LTP）的转变。原位开尔文探针力显微镜（KPFM）与气氛控制实验证实，该机制源于表面氧动力学调制的界面电荷转移。进一步地，利用器件线性、对称的电导变化，作者演示了仿视网膜边缘检测与仿蜜蜂觅食场景下的运动追踪等仿生视觉预处理功能，为在器件层面构建低功耗、全光调控的神经形态视觉原型提供了可行策略。

图注说明

图1 γ-Ga₂O₃量子点/石墨烯异质结的结构与表征。(A) 全光调控光电忆阻器结构示意（Au电极/γ-Ga₂O₃量子点/石墨烯/SiO₂/p⁺-Si，690 与 365 nm 光照）。(B) 量子点 TEM 图，插图为粒径高斯分布，平均直径约 3.1 nm。(C) 薄膜 AFM 形貌，表面平整。(D) 截面 TEM 显示量子点薄膜厚度约 162 nm。(E) 单颗量子点 HRTEM，晶格间距 0.248 nm 对应 (311) 面。(F) SAED 花样，衍射环对应 (311)(400)(440) 面。(G) Ga、O、C、Si 的 EDS 元素分布。(H) XRD 图谱，与面心立方 γ-Ga₂O₃（JCPDS 20–0426）一致。(I) O 1s 高分辨 XPS，分解为晶格氧、氧空位与表面吸附氧，氧空位组分占比达 66%，表明高浓度氧空位。(J) 量子点 PL 谱，显示氧空位、镓空位、镓–氧空位对及自陷空穴相关发光。

图2 器件的双向光电突触行为。(A) 690/365 nm 光下双向突触行为示意。(B) 690 nm（16.2 mW/cm²，0.1 s）诱发 EPSC、365 nm（3.6 mW/cm²，1 s）诱发 IPSC，读取偏压仅 0.02 V。(C) 成对光脉冲下的 PPF/PPD 行为。(D,E) 不同光照时长与强度下的 EPSC，随时长/强度增大促进 STP 向 LTP 的转变。(F–I) 690 与 365 nm 光下的脉冲频率依赖（SRDP）与脉冲数依赖（SNDP）可塑性，频率或脉冲数升高显著增强光电导响应。

图3 全光调控机制。(A) 空气/真空测试配置示意。(B) 690 nm 光下 EPSC 在空气中出现、真空中消失，表明 EPSC 与环境氧吸附内禀相关。(C) 365 nm 光下 IPSC 在真空中显著减弱，表明 IPSC 源于预吸附氧的脱附。(D,E) 光照前后 γ-Ga₂O₃ 量子点薄膜的原位 KPFM 面电位分布及其统计：暗态接触电位差为 123 mV，365 nm 光下升高（+74 mV）、690 nm 光下降低（−23 mV），停止光照 10 min 后可恢复，证实光驱动过程的可逆性。(F) 能带示意：暗态下氧空位吸附 O₂ 形成化学吸附 O₂⁻；365 nm 光以脱附为主，抬高 γ-Ga₂O₃ 费米能级、驱动电子向石墨烯转移致电导下降（IPSC）；690 nm 光电离中性氧空位、促进氧吸附与 O₂⁻ 形成，降低费米能级、自石墨烯抽取电子致空穴增多（EPSC）。

图4 基于器件的仿视网膜边缘检测。(A) 仿视网膜边缘检测机制示意（中心—周边拮抗、ON/OFF 通路）。(B) 690 与 365 nm 光下 LTP/LTD 随光强的线性关系，拟合斜率 k₁=26.5、k₂=−27.2，权重更新近乎对称。(C) 300×300 像素输入花卉图。(D) 以正/负光电导矩阵模拟 ON/OFF 响应、经局部差分提取边缘的流程。(E) 边缘检测结果。(F) 沿对角线的像素强度与 Canny 算子对比，一致性高。(G) 原图与边缘图的像素分布，背景趋零、边缘梯度显著，体现良好的背景抑制与边缘增强。

图5 Au/γ-Ga₂O₃量子点/石墨烯/Au 突触阵列在图像传感中的应用。(A) 蜜蜂在花丛觅食及其复眼小眼纵切示意（蜜蜂可感知约 360 nm 紫外）。(B) 阵列同步实现静态边缘与动态轨迹检测的流程示意。(C) 690 与 365 nm 各 50 个连续脉冲触发的循环 LTP/LTD 特性。(D) 第 n 帧与第 n+m 帧的像素亮度分布。(E) 花朵漂移轨迹（t₁–t₃）及边缘检测、动态检测、边缘+动态检测的输出结果。

总结展望

本工作构建了 γ-Ga₂O₃ 量子点/石墨烯异质结全光调控人工突触，借助波长选择性的可逆表面氧吸附/脱附，在 365 nm 紫外与 690 nm 红光下实现了对石墨烯沟道电导的双向、纯光学调制，模拟了 EPSC/IPSC、PPF/PPD 与 STP→LTP 等关键突触功能，摆脱了传统光电突触对外部电学门控的依赖。原位 KPFM 与气氛控制实验将机制归因于光致氧动力学及随之发生的界面电荷转移。凭借线性、对称的电导变化，器件在单一架构中同时实现了仿视网膜边缘检测与仿生运动追踪，为在器件层面发展低功耗、全光调控的神经形态视觉系统、并将缺陷工程与仿生视觉感知相衔接，提供了稳健而高效的策略。

文献链接

γ-Ga₂O₃ Quantum Dots/Graphene Heterostructure Enabling Bidirectional All-Optical Artificial Synapses for Ultraviolet Motion Recognition, Advanced Functional Materials, 2026.

https://doi.org/10.1002/adfm.77428