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动漫疯 动漫疯 光电功能材料器件与物理团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了一项突破性研究成果，成功构筑了基于准一维TiS3/二维2H-MoTe₂范德华异质结的多功能智能光电器件，实现了感知、存储与计算功能在单一器件中的物理集成。该工作第一作者为郭鹏博士，通讯作者为姜明明研究员。研究团队通过化学气相输运法合成了毫米级、高质量准一维TiS₃单晶，其链状结构赋予材料显著的平面内各向异性，为偏振光感知提供了结构基础。团队进一步利用干法转移技术构筑了TiS3/2H-MoTe2范德华异质结，通过能带工程设计形成Type-II型能带对准。该器件在自供电模式下实现了1064 nm近红外偏振敏感光电探测，二向色性比达7.14，响应度为198 mA/W，探测率达6.9×1011 Jones，响应时间仅61/67 μs，综合性能优于同类器件。与此同时，同一器件在电驱动下展现出优异的双极性忆阻开关特性，开关比超过105，保持时间逾2300 s，并具备多级电导态调控能力。机制研究表明，感知与记忆功能源于物理上解耦的两种独立机制：光生载流子的瞬态动力学主导偏振光探测，而电场驱动的硫空位与金属离子迁移则调控导电细丝的形成与断裂，从而实现非易失性开关。基于此双模特性，团队进一步构建了完整的仿生认知链：从阈值触发的伤害感受、损伤诱导的敏化行为，到实时天光偏振导航，均在该单器件平台上完整实现。该工作超越了传统的功能叠加式集成策略，通过物理机制的协同与解耦，建立了感知-存储-计算一体化的器件物理新范式，为边缘人工智能、自主系统和低功耗神经形态电子学提供了重要的材料与器件基础，对下一代智能光电系统的架构革新具有深远意义。

研究背景

智能光电子领域一大核心挑战在于打破感知、存储、计算的物理隔离。本文构建TiS3/2H-MoTe2范德华异质结，从物理机制上解耦各向异性载流子输运与离子迁移，将自驱动偏振光探测与非易失阻变开关功能协同集成；实现从感知、编码到决策的完整仿生认知链路，为多维传感内计算提供颠覆性器件平台。

以传感、存储、计算为核心节点的传统信息处理架构，长期受制于物理功能模块的分离式布局，导致数据在各单元间频繁搬运，产生严重的能效损耗与延迟积弊，已成为制约高维光学信息实时处理的根本性瓶颈。在边缘智能、无人系统和物联网等功率敏感场景中，这一“存储墙”与“功耗墙”问题尤为突出，迫使学界重新审视感知计算一体化的底层实现路径。与此同时，智能感知系统正从单一光电转换向多维光场信息解析演进，偏振、相位、光谱等参量的同步提取对信息通量提出严苛要求。然而，现有感存算集成方案多囿于功能堆叠式的器件设计，将独立的光探测与电阻开关单元进行物理耦合，不仅难以在单一异质结中同时兼顾高偏振灵敏度与高开关比，更面临感知与存储状态变量相互干扰、读写串扰严重等深层矛盾。尤其是偏振这一兼具矢量属性与空间分布特征的高维光学维度，在传统架构中需经过偏振片、波片等外置光学元件方可转换为电学可读信号，极大增加了系统复杂度和插入损耗。

更为关键的是，即使少数器件实现了光敏与阻变的“二合一”，其感知通道与存储通道仍共享同一载流子输运路径或缺陷态调控机制，致使光生载流子与场致离子迁移互为干扰，难以建立真正物理解耦的双模态协同工作模式。这意味着，在材料层面实现传感与记忆功能的本征协同，而非电路层面的补偿性兼容，已成为突破能效-带宽-面积综合极限的必由之路。在此背景下，构建一种能从物性根源上将偏振感知物理基元与非易失存储功能基元解耦集成的新材料体系，不仅是高性能智能光电器件发展的自然延伸，更是应对海量非结构化光信息实时处理需求的战略性抉择。只有通过准一维链状结构赋予的固有面内各向异性，耦合层状材料异质界面的局域场调控，方可在单器件尺度打破感知-存储的物理鸿沟，从而为后摩尔时代智能传感系统提供真正具备计算原语能力的硬件基底。

成果介绍

本工作从根本上突破了传统架构中感知、存储与计算物理分离的桎梏，在单一准一维TiS3/2H-MoTe2范德华异质结中，首次实现了物理机制层面的功能解耦与协同，为多维信息处理奠定了颠覆性平台。

（一）物理机制的“解耦-协同”创新

本工作摒弃了依赖电路补偿或后处理集成的常规路径，从材料物理源头出发，将各向异性载流子输运与电场驱动离子迁移两种截然不同的物理机制，在空间共位条件下实现本征性解耦。瞬态光生载流子主导感知通道，持续离子/空位迁移主导存储通道，二者共用物理空间，却在状态变量和驱动方式上彼此独立，从而彻底规避了功能串扰。

（二）感知维度的突破性跃升

利用TiS3的链状结构所赋予的强面内各向异性，器件在零偏压下实现了自供能的近红外偏振分辨光探测，二色性比达7.14，响应度198 mA/W，探测率6.9×1011 Jones，响应速度61/67 μs。这一性能不仅在同类型器件中处于领先水平，更重要的是，将偏振这一高维物理信息直接编码为电学响应，赋予器件超越强度探测的“矢量感知”能力。

（三）存储性能的数量级跨越

基于硫空位与金属离子的协同迁移及导电细丝的可控演化，器件实现了开关比超过10⁵、保持时间超过2300 s的双极阻变切换，同时具备稳定的多态调控能力。这一指标相较于同类范德华异质结器件实现了数量级提升，为后续信息存储与处理提供了充足的动态窗口。

（四）从感知到决策的完整认知链

本工作首次在同一器件平台上构建了从阈值触发的痛觉感知、损伤诱导的敏化记忆，到实时天空光偏振导航的完整生物启发认知链条。该体系无需外部存储或计算单元介入，即可完成从光场信息接收到空间朝向判别的全流程信息处理，真正意义上实现了“感-存-算”一体化的智能传感范式。

图 1 基于TiS3/2H-MoTe2范德华异质结的多维信息感知与感知-存储-计算一体化

(a) 1064 nm 光照下高性能自驱动偏振敏感近红外光电探测性能展示。 (b) 高开关比阻变开关特性，用于类生物痛觉感知神经形态伤害感受器。 (c) 多维信息感知与处理驱动跨生物机制融合，面向高要求自主系统的实时导航应用。

图 2 各向异性准一维 TiS3单晶的表征与理论计算

(a) 化学气相输运 (CVT) 法生长准一维 TiS₃样品的装置示意图。 (b) TiS3样品光学显微图像。 (c) 扫描电镜图及其元素映射表征。 (d) TiS₃样品 X 射线衍射谱与拉曼光谱。 (f-g) 偏振依赖拉曼测试：(f) 垂直配置、(g) 平行配置下的拉曼响应。 (h,i) TiS3导带底 (CBM) 与价带顶 (VBM) 态的空间电荷密度分布。 (j) 计算得到的能带结构。 (k) 态密度。

图 3 TiS3/2H-MoTe2范德华异质结光电探测器的光响应性能

(a) 基于TiS3/2H-MoTe2异质结的垂直 p-n 光电二极管器件示意图。 (b) 1064 nm 光照下器件随光强变化的电流-电压 (I-V) 特性。 (c) 器件时间分辨光响应曲线。 (d) 频率依赖噪声特性。 (e) 比探测率。 (f) 光强依赖的光电流与响应度。 (g) 外量子效率 (EQE) 随入射光强的变化。 (h) 不同调制频率下的时序光响应。 (i) 2000 Hz 条件下器件响应速度测试。 (j) 归一化光电流强度随调制频率变化曲线。 (k) TiS3/2H-MoTe2异质结界面差分电荷密度。

图 4 TiS3/2H-MoTe2范德华异质结器件的阻变存储特性与稳定性

(a) 脉冲测试实验平台装置示意图。 (b) 典型电流-电压曲线，展示双极性阻变开关行为，具备超高开关比。 (c) 循环 SET/RESET 开关曲线，反复电激励下器件开关行为高度可复现，展现优异稳定性。 (d) SET 电压与 RESET 电压的统计分布。 (e) 2300 s 时长的保持特性测试。 (f) 高阻态 (HRS) 与低阻态 (LRS) 电阻的累积概率分布。 (g) SET 过程双对数坐标 I-V 拟合，揭示导电输运机制。

图 5 具有 II-型能带对齐的TiS3/2H-MoTe2范德华异质结能带示意图

(a) 采用Au与Ti/Au作为电极的TiS3/2H-MoTe2异质结器件能带对齐关系。 (b) 近红外光激发产生载流子，随后发生空间分离与定向输运，决定器件光响应动力学。 (c) 硫空位迁移与金属离子动力学驱动导电细丝的形成与断裂。 (d) SET 过程与 (e) RESET 过程中界面能带调制以及导电通道演化示意图。

图 6 基于TiS3/2H-MoTe2范德华异质结器件的类生物伤害感知与损伤响应

(a) 生物痛觉感知生理过程示意图。 (b) 受体电位向动作电位的转换，包含阈值识别逻辑。 (c) 损伤发生前后的痛觉过敏行为。 (d) 正常状态与损伤状态下的电流响应。 (e) 刺激检测与信号采集实验测试平台。 (f) 阈值触发开关行为，将外加电压阈值作为人工激活判据，模拟生物痛觉阈值。 (g) 损伤诱导敏化行为：预先施加 2 V 高压刺激后，器件可在更低电压下产生响应。 (h) 不同偏置电压下动态电流响应，表明痛觉输出依赖电刺激强度。 (i) 不同脉冲频率、脉冲宽度下的电流响应，证明人工伤害感知具备时间依赖调制特性。 (j-k) 不同预刺激条件下的电流-电压特性，分别在线性坐标与对数坐标下展示。

图 7 基于TiS3/2H-MoTe2范德华异质结器件的多维偏振感知与跨物种信息处理

(a) 偏振可控光学系统用于偏振分辨光电探测的装置示意图。 (b) 用于方向识别的类生物偏振感知机制。 (c) 偏振角旋转条件下随时间变化的光电流。 (d) 1064 nm 下与偏振相关的光电流，体现各向异性响应。 (e,f) 光调制条件下的阻变开关存储特性。 (g) 从偏振光感知到认知响应的跨物种信号处理流程。 (h) 基于偏振的导航应用演示。 (i) 离散偏振角度识别与映射。 (j) 极坐标下光电流，反映偏振方向。 (k) 偏振灵敏探测器件示意图。 (l) 实测偏振方向与理论偏振方向对比。

总结展望

该工作针对传统光电系统感知、存储、计算硬件物理分离带来高能耗、高延迟的瓶颈问题，构建准一维 TiS3/2H‑MoTe2范德华异质结器件，实现“感知与记忆物理解耦却空间共置”的感存算一体化新范式，突破了偏振光电探测与阻变存储功能难以单片兼容的关键难题。在构建的器件中，利用 TiS3本征链状各向异性实现偏振光感知，2H‑MoTe2窄带隙特性强化近红外光吸收，以及二者形成Ⅱ 型范德华 pn 异质结，两套物理机制相互独立：光探测源于瞬态光生载流子输运，阻变存储受控于电场驱动硫空位与钛离子迁移，不存在功能取舍与相互干扰，摆脱依赖外围电路补偿的传统方案。该TiS3/2H‑MoTe2范德华异质结器件在零偏自驱动 1064 nm 近红外光照下，偏振探测实现 7.14 二向色比、198 mA/W 响应度、6.9×1011 Jones 探测率、61/67 μs 超快响应；阻变存储器获得 > 105超高开关比、2300 s 非易失保持能力，兼具多级电导可调，同时器件具备良好空气稳定性与器件间均一性。该单一器件完整复现仿生认知链路：实现伤害感受器阈值触发响应、损伤致敏的痛觉仿生模拟；受昆虫偏振视觉启发，完成天光偏振导航，将高维偏振光学信号直接编码为可决策电输出。本工作跳出器件简单功能叠加思路，依靠异质结本征物理效应实现感知‑存储‑计算原生融合，为边缘人工智能、神经形态电子提供低功耗、高灵敏度的片上感知计算新平台。

论文信息与链接

Peng Guo, Lijian Li, Tao He, Yalin Zhai, Peng Wan,Daning Shi, Mingming Jiang*, A Quasi-1D TiS3/2H-MoTe2 van der Waals Heterostructure for Intelligent Sensing with Decoupled Perception and Memory Functions, Advanced Functional Materials, 2026; e78102

//doi.org/10.1002/adfm.78102