近日，智能制造与信息工程研究所研究开发了一种基于可调原子层材料异质结构的全功能光电逻辑门，突破了现有光电器件功能单一化的局限，实现了在单一器件内完成全部基本布尔运算。研究成果“All-in-One, Full Optoelectronic Logic Gates with a Tunable van der Waals Junction”发表在Advanced Functional Materials上。博士生郭灵岚、沈道智副教授为论文第一作者，朱利民教授、沈道智副教授为通讯作者。
随着器件尺寸逼近物理极限，原子级制造与调控技术成为突破传统半导体工艺瓶颈的关键路径。特别是在光电器件领域，原子级平整的界面和精确的能带调控是实现高性能逻辑功能的关键要素。光电逻辑门通过将光信号转换为电信号输出，兼具光电优势，但早期基于PN结、PIN结或雪崩光电二极管的设计只能实现单一逻辑功能，需通过多个器件集成才能构建完整电路。尽管原子层材料因强光—物质相互作用和可调控光电响应被视为理想候选材料，但单一材料能带结构调制能力有限，难以在单器件内实现多样化逻辑运算。原子层材料异质结构虽展现出更强可调性，但此前研究仍无法实现全套逻辑功能的单片集成。如何在单一器件内完成全部基本布尔运算，同时保持高响应速度与低功耗，成为该领域亟待解决的难题。
针对上述问题，研究构建了一种基于BP/MoTe2/Gr垂直堆叠的原子层材料异质结光电逻辑门。研究团队利用栅极电压对界面能带结构进行动态调控，在原子尺度上调制载流子输运路径，使器件在可见光与红外波段表现出可编程的光电响应特性。MoTe2主导的光电流呈现双向可调特性，与BP产生的红外光电流的单向调控，二者叠加构成了逻辑状态切换的基础。本研究设计了一种双波长输入系统，以650纳米可见光与1550纳米红外光作为信号源，通过电压序列控制实现了AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR和XNOR七种基本逻辑运算。
原子层材料异质结构光电逻辑门模拟实验：边缘提取、信息融合、眩光消除
原子层材料异质结构光电逻辑门双信号透射实验结果
研究进一步通过XOR逻辑实现障碍物轮廓检测，利用OR逻辑融合可见光与红外图像，结合黑磷的偏振敏感性有效抑制玻璃表面反光干扰，提升了行人识别准确率。传统电子电路需4至12个晶体管才能实现单一逻辑门，该单器件方案将晶体管数量减少50%至83%，显著提升了集成密度与结构简洁性。
本研究突破了传统光电器件在原子级调控方面的技术瓶颈，证明了精确的界面工程可以实现多功能、高性能逻辑运算。该成果不仅推动了原子级制造技术在光电领域的发展，也为后摩尔时代器件创新提供了重要参考。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海交通大学Explore X基金项目和上海交通大学科研启动项目的资助。
智能制造与信息工程研究所近年来积极布局原子级制造研究，在原子级材料设计、调控与器件制造、检测等方面取得了一系列成果，相关工作发表于Nature Communications、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、ACS Nano、Advanced Science等期刊。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202525212
学院OA系统
jAccount登录
ENGLISH
地址：上海市东川路800号上海交通大学闵行校区机械与动力工程学院
邮编：200240
Email：sjtume@sjtu.edu.cn