北京交通大学ACS Photonics：基于WS₂/石墨烯异质结的自卷曲微管光电突触用于视网膜启发的光响应动力学

研究背景

神经形态视觉传感器旨在硬件复刻生物视网膜的感知与预处理功能，但现有光电突触大多只能给出简单的兴奋性或抑制性电流，无法再现感光细胞与双极细胞在光开关时特有的超极化动态响应；平面器件还受困于光俘获有限、能带难调控。三维自卷曲微管能形成圆柱形光学谐振腔，弯曲表面又可施加应变调控，为突破瓶颈提供新思路。

成果简介

北京交通大学Tao Deng与孙静叶副教授将单层二硫化钨（WS₂）与石墨烯构成范德华异质结，借助XeF₂干法释放使预应变纳米膜原位自卷曲成三维微管，实现从平面光电探测器到视网膜启发光电突触的演化。微管直径约60 μm（卷绕数2），卷曲引入约0.25%的拉伸应变，使WS₂发光峰由1.93 eV红移至1.90 eV并增强。405 nm、39.25 mW/cm²光照下，三维WS₂器件响应度由平面器件的6.97 mA/W升至95.83 mA/W（约14倍），外量子效率由2.13%升至29.33%。该异质结器件呈现仿生复合光响应：光照初期10 ms内电流骤降，对应感光细胞超极化；随后电流上升，模拟ON型双极细胞激活；关光后带下冲的快速衰减与缓慢恢复，分别对应ON型双极细胞超极化与视杆细胞暗适应。

图注说明

图1 从平面器件到三维微管器件的功能演化。（A）视觉系统、视网膜与突触连接示意图；（B、E）平面与三维WS₂器件的光电流，后者约为前者的2倍；（D、G）平面异质结仅有常规兴奋性突触后电流，三维微管异质结则给出复合光响应。

图2 三维WS₂微管的结构与光电性能。（A–C）扫描电镜图，管壁光滑均匀，直径约60 μm；（D）拉曼谱中A1g峰红移1.77 cm⁻¹，对应约0.25%拉伸应变；（E）发光峰由1.93 eV红移至1.90 eV且增强；（G–L）三维器件的响应度等指标全面优于平面器件。

图3 三维WS₂/石墨烯异质结的视网膜光响应动力学。（D）复合光响应分为静息、感光细胞超极化、ON型双极细胞去极化、其超极化与视杆细胞恢复五阶段；（E–I）调节波长、电压、光强等参数可实现短时程向长时程可塑性转变；（J）双脉冲易化指数随间隔增大由128%降至116%。

图4 光响应动力学的机理。（A、B）模拟显示微管空腔局域场增强与多重内反射显著提升光吸收；（C–H）光电子能谱显示三维异质结W 4f等峰位正移约0.69 eV，界面氧化与缺陷增多；（I）能带图揭示陷阱俘获是初期电流骤降的起源。

图5 视网膜适应与图像映射演示。（A）连续5个光脉冲下器件呈现“激发–抑制–再激发–抑制”序列；（B–E）以数字“8”为输入，三维器件关光后的电流成像符合ON型双极细胞再极化规律，与平面器件明显不同。

总结展望

该工作将范德华异质结与自卷曲三维微管相结合，借微腔陷光与应变诱导的能带、缺陷调控，在单器件中复现了视网膜感光细胞与ON型双极细胞的多阶段光响应，突破了传统人工突触功能单一的局限。未来优化衬底与曲率，有望使器件贴合视网膜形态，为仿生神经形态视觉传感器提供新方案。

文献链接

Self-Rolled-Up Microtube Optoelectronic Synapse Based on WS2/Graphene Heterojunction for Retina-Inspired Photoresponse Dynamics

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6c01771