Underlying Framework of All-optical Controlled Synaptic Devices for Neuromorphic Computing

Dunan Hu, Ruqi Yang, Zhizhen Ye, Jianguo Lu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 320

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02171-2

本文亮点

1. 揭示协同关系：系统阐明全光控突触器件的基本框架，揭示物理机制、材料种类、器件结构到模拟算法与应用场景之间的协同关系。

2. 提出设计策略：全面梳理全光控突触器件在材料与应用上的研究进展，提出了可扩展、可复制的器件设计策略。

3. 构建平台范式：深度整合材料-算法-器件协同设计框架，为下一代人工智能神经形态计算构建理想的硬件平台范式。

研究背景

人工智能快速发展带来能耗与计算效率的严峻挑战，传统冯・诺依曼架构因存算分离形成性能瓶颈。受生物神经网络启发，神经形态计算成为了破局关键，而人工突触器件是核心硬件单元之一。早期突触器件依赖纯电调控或光电混合调控，存在焦耳热、串扰、功耗高、电路复杂等问题。全光控突触器件仅通过光脉冲实现双向导电性调制与信号的光写入/光擦除，从而消除电调控弊端，具备超低功耗、超高速、宽带宽、波长可选等核心优势，特别适合大规模类脑阵列、传感计算和仿生视觉系统。然而，全光控突触器件方向虽发展迅速，但仍处于早期阶段。目前研究多偏向材料分类或单一机制分析，缺乏统一底层框架与设计范式，制约规模化发展。鉴于此，本综述从物理机制、材料类型、算法协同与应用场景等方面系统构建了全光控突触器件的底层框架，并提出了可扩展且可重复的器件架构策略与设计范式。

内容简介

浙江大学吕建国团队系统综述了用于神经形态计算的全光控突触器件，重点在于其机制和设计策略。本综述系统地介绍了近年来全光控突触器件的研究进展，对结构、材料、机制、算法和应用进行了详细分析。总结了全光控突触器件双向光响应物理机制的五个类别：电荷转移、电荷捕获、气体吸附/脱附、氧空位电离/去电离以及铁电极化。全面梳理了全光控突触器件所使用的材料类型和设计策略，包括金属氧化物、低维材料、钙钛矿和有机化合物，并分析了材料特性与性能之间的关系。总结了全光控突触器件中神经网络算法与应用之间的协同关系。最重要的是，本综述提出了一种用于构建可扩展且可复制的全光控突触器件的底层框架，该框架整合了机制、材料和器件结构，对于推动全光控突触器件的制备和设计具有关键作用。最后深入探讨了全光控突触器件当前面临的挑战与发展前景。

图文导读

I 简介

全光控突触器件在光脉冲作用下实现了双向导电性调制，能够通过光来写入和擦除信息，与传统的电控模式相比，具有能耗低和功能更新快等优势。近年来，该领域在材料体系、器件架构、机制理解以及神经形态计算应用等方面都取得了显著进展(图1)，这凸显了这一新兴领域的发展动态。

图1. 全光控突触器件的发展历程。

II 器件特性和性能指标

全光控突触器件本质上是在模仿生物突触中信息传递与权重调节的过程，但与传统电刺激方式不同，这类器件利用光来触发和调控载流子行为，实现突触权重的增强与抑制。如图2，本章节进一步将全光控突触器件划分为双端垂直、双端平面和三端结构三类，并指出不同结构分别适合高密度阵列、在传感计算和高精度信号处理等不同场景。同时，系统梳理了全光控突触器件的关键评价指标，包括EPSC/IPSC、PPF/PPD、LTP/LTD调控曲线、非线性、对称性、重复性以及能耗等，为该领域建立统一的性能评估语言提供了基础。

图2. 全光控突触器件的生物机制、器件结构和突触功能。

III 全光控突触器件的物理机制

全光控人工突触最核心的问题在于如何只依靠光实现电导的双向调节。对此，本节总结了五类代表性机制(图3)：电荷转移、电荷俘获、气体吸附/脱附、氧空位电离/去电离、铁电极化。其中，电荷转移机制依赖异质结中的能带工程和内建电场来实现不同波长下的PPC/NPC切换；电荷俘获机制则利用缺陷态对光生载流子的捕获与释放来实现增强/抑制行为；气体吸附/脱附机制强调表面氧分子在不同波长照射下的可逆调控；氧空位电离/去电离机制则是氧化物体系中最关键的一类机制；而铁电极化则通过极化状态调节界面势垒和载流子注入行为，为全光可塑性提供了双向调控手段。

图3. 全光控突触器件的物理机制。

IV 全光控突触器件的材料体系

开发全光控突触器件的关键问题在于构建能够在光照作用下产生兴奋性和抑制性突触的功能材料。本章节归纳了四大材料体系：金属氧化物、低维材料、钙钛矿和有机材料。金属氧化物材料具有高稳定性、良好的CMOS兼容性和成熟工艺基础，尤其氧空位调控在实现持续光电导效应中表现突出；低维材料则凭借强光-物质相互作用、可调带隙和丰富缺陷态，展现出宽光谱响应和柔性应用潜力；钙钛矿材料兼具高载流子迁移率、宽光谱吸收和高缺陷容忍度，适合作为浮栅层或光敏层；而有机材料则以低成本、柔性、生物相容性和溶液加工优势，为可穿戴和仿生器件提供了更多可能。

V 全光控突触器件的设计策略

全光控突触器件的实现在很大程度上依赖于材料和界面的精确工程。器件的机制和性能从根本上由所使用的活性/功能材料的固有特性所决定。这些器件的光学、电学和动态特性基本上是由其组成材料的特性决定的。为了推动全光控突触器件的发展，有必要采用一种综合的设计策略，将器件设计、材料选择和材料优化结合起来。本综述将器件设计分为单层和多层结构，并根据每种结构的特点细化了材料选择和材料优化的核心原则(图4)。

图4.基于材料和结构角度的全光控突触器件设计策略框架。

VI 神经网络算法和器件应用

将基于全光控突触器件的特性与神经网络架构相结合，对于实现神经形态计算，诸如高精度图像识别、运动检测和事件驱动式感知等复杂感知任务至关重要。本综述强调了具有代表性的神经网络结构、训练方法和识别性能评估(图5)。着重阐述了算法层面的原理和计算过程，并总结了算法与全光控突触器件之间的集成路径。此外，基于器件与算法的结合，还梳理了全光控突触器件在图像识别中的权重映射能力、在运动检测中的动态视觉处理能力、在视觉感知中的光适应和边缘检测能力，以及在场景模拟中的条件反射、趋避行为和类视网膜响应等场景的应用前景。

图5. 常见的神经网络算法架构示意图。

VII 挑战与展望

总之，尽管全光控突触器件近年来取得了快速进展，并在能源效率、响应速度和功能集成方面展现出显著优势，但在将其大规模应用于实际神经形态系统之前，仍有许多关键挑战需要解决(图6)。尚未解决的关键瓶颈包括器件在反复光刺激下的长期运行稳定性、大规模阵列中器件之间的差异性、与CMOS制造工艺的兼容性，以及对温度和湿度等环境因素的敏感性。此外，缺乏标准化的性能指标和基准测试协议进一步阻碍了不同材料系统和器件架构之间的客观比较。针对这些挑战，本综述概述了全光控突触器件的未来发展方向和潜在改进策略。从实际角度来看，近期的研究工作应侧重于提高材料稳定性和器件可重复性，同时保持超低功耗运行。中期的一个关键目标是实现与CMOS技术兼容的具有统一光学响应和可扩展制造工艺的全光控突触器件阵列。从长远来看，材料、器件架构和神经形态算法的协同设计，以及统一的评估标准的建立，对于将全光控突触器件从实验室演示转化为可靠的、适用于实际应用的神经形态硬件至关重要。

图6. 全光控突触器件面临的挑战与前景。

VIII 总结

全光控突触器件作为一种极具潜力的神经形态计算范式，通过将计算功能集成到传感器中，彻底消除了感知与处理之间的分离问题。其具备信息的光写入和光擦除能力，以及超快处理和低功耗运行能力，在未来的神经形态计算中的潜力显而易见。然而，高性能的全光控突触器件在神经形态计算中的可扩展发展仍然具有挑战性，需要对其底层物理机制和设计原则进行系统探索。本综述中讨论了全光控突触器件的物理机制、材料应用、常见算法和应用场景，强调了这些器件在神经形态计算中的开创性进展和应用潜力。而且，我们提出了一个可重复且可扩展的全光控突触器件设计框架，有望在推进神经形态计算的发展中发挥关键作用。该框架有望为下一代全光控突触器件提供了具有普遍适用性的指导原则，为神经形态计算的核心器件提供理论与技术支撑。

作者简介

吕建国

本文通讯作者

浙江大学 副研究员

▍主要研究领域

(1) 半导体薄膜与光电器件；(2) 电化学储能与系统集成；(3) 纳米材料与智能涂层。

▍主要研究成果

浙江大学材料学院、硅及先进半导体材料全国重点实验室副研究员，博士生导师。浙江省高层次人才入选者，国际IEEE学会会员，Chin. Chem. Lett.、Energy Mater.、Battery Energy、Tungsten、Materials、《化工生产与技术》等期刊编委。吕老师的主要研究领域为过渡金属VI族化合物材料，应用于光电器件与电化学储能。获国家自然科学二等奖1项(排名第三)、浙江省科学技术一等奖3项、教育部科技进步二等奖1项、全国百篇优博论文提名奖；授权国家发明专利30余件。出版“十二五”国家级规划教材1部(获全国优秀教材二等奖)、中英文专著2部。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Nano-Micro Lett.等期刊发表SCI论文270余篇，其中ESI热点论文1篇，ESI高被引论文19篇，SCI引用14000余次，H因子63。入选中国高被引学者、全球前2%顶尖科学家(年度科学影响力和终身科学影响力)等。作为大会主席，组织会议1次；作为分会主席/召集人，组织会议近10次；在国内外学术会议做大会/主旨/邀请报告50余次。

▍Email：lujianguo@zju.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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