二氧化釩（VO2）是一種典型的強關聯(lián)氧化物，存在多種同分異構相以及由于氧含量的細微差異導致的豐富VOx相，研究顯示通過電場、光場、壓力場等外場調控可以實現(xiàn)相與相之間轉換。研究團隊通過激光分子束外延方法生長了高質量的VO2/Al2O3薄膜，將其制備成光電晶體管結構并進行了光電測試。團隊發(fā)現(xiàn)VO2薄膜在紫外光輻照下發(fā)生了非易失變化，而在可見光照射下只有瞬態(tài)的光電響應。加大紫外光輻照劑量甚至可以誘導VO2非易失相變，由絕緣單斜相向金屬金紅石相轉變。系列表征結果表明了這主要由于紫外光輻照在VO2薄膜中產(chǎn)生了氧空位，而光子能量低于其氧空位激活能的可見光只產(chǎn)生瞬態(tài)的光電響應。在復位過程中，基于團隊在電解質調控界面離子輸運方向的前期研究基礎[Adv. Mater. Inaterfaces 2, 1500407 (2015); Adv. Mater. 30, 1801548 (2018); Adv. Mater. 31, 1900379 (2019); Adv. Funct. Mater. 29, 1902702 (2019); Nano Energy 67, 104268 (2020)]，提出了利用電解質門控的方法將氧離子插入到氧缺失薄膜的方案。因此，通紫外光輻照和電解質調控VO2中氧的脫出/嵌入，可以實現(xiàn)對其電導的可逆非易失性調控，進而設計了智能紫外光電傳感器件。

　　此外，研究團隊在硅晶圓上通過磁控濺射技術生長了大面積VO2薄膜，并將其制備成神經(jīng)形態(tài)傳感器件陣列。通過隨機抽取其中100個器件進行測試，結果證明了薄膜展現(xiàn)出了良好的均勻性。在硅晶圓上生長的VO2薄膜具有與外延生長的VO2薄膜類似的光致非易失相變特性和多態(tài)可逆調控特性，證明了該新原理器件具有大規(guī)模集成潛力。進一步研究表明，溝道電流非易失變化與紫外線照射劑量呈現(xiàn)近似線性的關系，這為將來應用打下了良好基礎。近期，研究團隊也證明了VO2在柔性智能光電傳感器件應用的可能性[Adv. Funct. Mater. 2203074 (2022)]。

　　研究團隊基于新型的VO2神經(jīng)形態(tài)光電傳感器件構建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡并對標準的MNIST手寫數(shù)字圖像進行識別，該神經(jīng)形態(tài)紫外光電傳感器件可以對隨機引入RGB高斯噪聲的圖像進行預處理，并選擇性識別其中包含的紫外信息。對于包含RGB高斯噪聲的圖像，識別準確率僅達到24%。相比之下，利用基于VO2的神經(jīng)形態(tài)光電傳感器對紫外光信息進行預處理后，圖像的識別準確率達到93%，與原始MNIST圖像的識別準確率相同。

　　物理所李格博士生和解東港聯(lián)培碩士生為共同第一作者，金奎娟研究員和葛琛副研究員為共同通訊作者。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院青促會等項目的資助。

原文鏈接：
Photo-induced non-volatile VO2 phase transition for neuromorphic ultraviolet sensors
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29456-5
Research Highlights in Nature Electronics, Vanadium dioxide remembers the light
https://www.nature.com/articles/s41928-022-00760-8
Flexible VO2 films for in-sensor computing with ultraviolet light
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202203074

Figures：

圖1 紫外光輻照/電解質門控實現(xiàn)了VO2的非易失性可逆調控

圖2 硅晶圓上生長的VO2薄膜器件性質

圖3 基于VO2的神經(jīng)形態(tài)紫外光電傳感器件構建的人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行圖像識別演示