《JACS》：用“光”尋址、以“電”切換！新型雙場協同策略實現可編程光伏

近日，北京高壓科學研究中心（HPSTAR）呂旭杰團隊與上海交通大學黃富強團隊和華中科技大學翟天佑、周興等團隊合作，提出了一種光-電雙場協同編程策略，在二維范德華半導體ZnIn2S4中實現了可重構、非易失的反常光伏效應。該策略利用光場的空間選擇性和電場的調控能力，將“尋址”和“寫入”兩個過程解耦，從而突破了傳統單一電場調控體系中器件結構復雜、像素獨立布線困難和系統集成效率受限等問題。這一策略突破了傳統單場調控的內在維度限制，為自驅動的感存算一體光電架構開辟了全新路徑。相關成果以“Programmable Anomalous Photovoltaics Enabled by Light-electric Dual-Field Control”為題，近期發表于《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。

可編程光伏器件能夠將外界光信號直接轉化為可存儲、可調控和可計算的電學響應，因此在自供能傳感、視覺感知和神經形態計算中具有重要應用前景。現有可編程光伏器件通常依賴異質結構設計、能帶調控、鐵電極化或離子遷移等機制。然而，這些策略往往需要復雜的異質結構、柵極調控或每個存儲單元獨立電路連接，難以兼顧器件結構簡化、空間選擇性和高密度集成。這一瓶頸的根源在于傳統器件多依賴單一電場調控。在單場調控體系中，電場同時承擔空間尋址和狀態切換兩個功能：既要決定哪個單元被寫入，又要決定該單元寫入何種狀態。這種功能耦合限制了器件的結構簡潔性和運行效率，也使大規模陣列中不可避免地面臨布線復雜和系統功耗增加等問題。

針對這一挑戰，研究團隊提出了光-電雙場編程的新思路。與傳統光電器件不同，這一設計思路將光引入作為獨立的空間尋址自由度。在寫入過程中，局域光照選擇被編程區域并誘發反常光伏效應，全局電場切換材料內部的光伏狀態；讀取過程中，器件在零偏壓下直接輸出自發光伏信號。得益于光的空間分辨能力，該策略無需對每個像素單獨布線，即可實現選擇性編程和非接觸式光學讀出，為構建結構簡易的可編程傳感器件提供了新的途徑（圖1a）。

研究團隊以二維范德華半導體材料ZnIn2S4為模型體系驗證了這一設計思想。ZnIn2S4具有層狀范德華結構和優良的光響應特性，其R-3m相整體屬于中心對稱結構，初始狀態不表現出自發光伏響應（圖1b）。對照實驗表明，單獨光場或單獨電場作為編程刺激時，器件在隨后的光照讀出過程中并未產生反常光伏響應；只有光場與電場同時施加進行協同編程后，ZnIn2S4器件才表現出穩定的開路電壓和短路電流輸出（圖1c-e）。這一光伏狀態在撤去外場后仍可保持，表現出非易失特征。更重要的是，通過改變編程電壓的方向和大小，器件的光伏電流極性和幅值均可被連續調控（圖1f-g）。也就是說，該器件不僅可以實現正、負光伏狀態之間的可逆切換，還可以獲得多個穩定的中間態，為多值存儲和神經形態計算提供了物理基礎。

圖1. (a)器件示意圖及其工作原理；(b)R-3m相ZnIn2S4的晶體結構；(c) ZnIn2S4的I-t曲線；(d)光-電雙場編程過程后產生自發光伏響應的示意圖；(e)不同編程條件處理后材料的I-V曲線；(f) 不同光-電雙場編程電壓誘導的極性可切換JSC；(g) 不同光-電雙場編程電壓實現的多種JSC非易失響應態。

“這項工作的關鍵在于將‘光’作為一個獨立的、具有空間分辨能力的控制維度引入光伏體系中。”呂旭杰研究員解釋道，“通過光-電雙場協同編程，把尋址與狀態切換兩個過程解耦，從而實現了無需選擇器、無需逐像素布線的可重構非易失反常光伏效應——這樣就可以讓所有單元共享一個全局電路，同時利用局域光照選擇需要寫入的位置。”

為闡明非易失反常光伏效應的物理起源，研究團隊結合單晶X射線衍射、空間分辨光電流成像、開爾文探針力顯微鏡、X射線光電子能譜和原子分辨掃描透射電子顯微鏡等手段進行了系統研究。結果表明，編程過程會誘導[ZnS4]四面體發生結構畸變，并在器件內部形成可切換的內建電場，這是反常光伏響應產生的原因（圖2a）。為進一步驗證這一機制，研究團隊通過高壓調控ZnIn2S4的結構畸變，并原位監測其光伏性能的演變，從而揭示了結構與性能的對應關系。在~5.4 GPa下，器件短路電流密度較常壓提升約20倍，編程電壓可降低至0.5 V（圖2b）。該結果表明，多面體結構畸變不僅決定反常光伏效應的產生，也可作為優化器件性能的調控自由度。此外，研究團隊還通過柔性襯底施加壓縮應變，在常壓條件下實現了類似的光伏增強效果，進一步說明該結構調控策略具有向實際器件拓展的潛力（圖2c）。

“高壓調控不僅提升了器件性能，更重要的是驗證了結構畸變在該反常光伏效應中的核心作用。”卜克軍博士表示，“當[ZnS4]四面體畸變被進一步放大時，器件的光伏輸出同步增強，同時編程能耗顯著降低。這為設計高性能可編程光伏材料提供了明確的依據。”

基于ZnIn2S4器件的非易失、多態和自供能光伏響應，研究團隊進一步展示了其在視覺信息處理中的應用潛力。結合神經網絡算法，經ZnIn2S4器件處理的含噪聲手寫數字圖像識別準確率由19.9%提升至87.9%；在車牌識別等復雜視覺任務中，器件同樣表現出穩定的降噪能力，且在300小時持續測試后性能幾乎沒有衰減。

圖2. (a) 不同電壓處理后ZnIn2S4的原子分辨掃描透射電子顯微鏡圖像；(b) 不同壓力下ZnIn2S4單晶的I-V曲線；(c)不同應變下ZnIn2S4單晶的I-t曲線。

北京高壓科學研究中心的付同歡博士、卜克軍博士和華中科技大學的博士生茍根暢為該論文共同第一作者，呂旭杰研究員、黃富強教授和周興教授為該論文通訊作者。該工作還得到了上海交通大學、復旦大學、上海科技大學以及中山大學等單位研究人員的幫助與支持。該研究獲得國家自然科學基金、國家重點研發計劃、上海市科委等項目資助，并得到上海同步輻射光源BL15U1線站支持。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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