中科院物理所在光致VO2非易失相变及智能光电传感应用方面取得新进展
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二氧化钒（VO2）是一种典型的强关联氧化物，存在多种同分异构相以及由于氧含量的细微差异导致的丰富VOx相，研究显示通过电场、光场、压力场等外场调控可以实现相与相之间转换。研究团队通过激光分子束外延方法生长了高质量的VO2/Al2O3薄膜，将其制备成光电晶体管结构并进行了光电测试。团队发现VO2薄膜在紫外光辐照下发生了非易失变化，而在可见光照射下只有瞬态的光电响应。加大紫外光辐照剂量甚至可以诱导VO2非易失相变，由绝缘单斜相向金属金红石相转变。系列表征结果表明了这主要由于紫外光辐照在VO2薄膜中产生了氧空位，而光子能量低于其氧空位激活能的可见光只产生瞬态的光电响应。在复位过程中，基于团队在电解质调控界面离子输运方向的前期研究基础[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)]，提出了利用电解质门控的方法将氧离子插入到氧缺失薄膜的方案。因此，通紫外光辐照和电解质调控VO2中氧的脱出/嵌入，可以实现对其电导的可逆非易失性调控，进而设计了智能紫外光电传感器件。 此外，研究团队在硅晶圆上通过磁控溅射技术生长了大面积VO2薄膜，并将其制备成神经形态传感器件阵列。通过随机抽取其中100个器件进行测试，结果证明了薄膜展现出了良好的均匀性。在硅晶圆上生长的VO2薄膜具有与外延生长的VO2薄膜类似的光致非易失相变特性和多态可逆调控特性，证明了该新原理器件具有大规模集成潜力。进一步研究表明，沟道电流非易失变化与紫外线照射剂量呈现近似线性的关系，这为将来应用打下了良好基础。近期，研究团队也证明了VO2在柔性智能光电传感器件应用的可能性[Adv. Funct. Mater. 2203074 (2022)]。 研究团队基于新型的VO2神经形态光电传感器件构建了人工神经网络并对标准的MNIST手写数字图像进行识别，该神经形态紫外光电传感器件可以对随机引入RGB高斯噪声的图像进行预处理，并选择性识别其中包含的紫外信息。对于包含RGB高斯噪声的图像，识别准确率仅达到24%。相比之下，利用基于VO2的神经形态光电传感器对紫外光信息进行预处理后，图像的识别准确率达到93%，与原始MNIST图像的识别准确率相同。 物理所李格博士生和解东港联培硕士生为共同第一作者，金奎娟研究员和葛琛副研究员为共同通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青促会等项目的资助。 |
