二维材料，Nature Materials重磅综述！

随着视觉技术的飞速发展，信息获取与处理的需求呈爆发式增长，但传统集成电路中数据的频繁搬运导致了大量时间与功耗的浪费。为应对这一挑战，存内计算等新型架构通过将存储与计算融合，显著缩短了数据路径。然而，在光电传感领域，传统的传感器（如 InGaAs、PbS、HgCdTe）仅承担感知角色，传感、存储与计算单元在物理上相互分离，导致数据在模块间反复传输，产生冗余功耗。更重要的是，传统仅利用强度（振幅）信息的探测方法，难以处理波长、偏振、相位等多维光学信息，形成了电学与光学信息之间的维度失配。尽管衍射光栅、超表面等光学结构可提取部分多维信息，但单元间的物理分离又会带来能量损耗与器件尺寸增大的问题。

鉴于此，来自中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员，香港理工大学柴杨教授，美国圣路易斯华盛顿大学Sang-Hoon Bae教授概述了基于新兴二维材料的集成传感器进展，并在统一的信息编码框架下，将电学输入与光学场景进行对比。讨论了集成传感器的广阔机遇，强调了不同维度信息编码的要求与差异，并探索了集成传感器在其他领域的应用潜力。相关文章以题为“Two-dimensional materials for integrated sensing”发表在最新一期《nature materials》上。

图 1 | 新型整合的前沿材料

从电学输入到光学输入的转变

基于电学输入的阻变材料可在高阻态与低阻态之间切换，实现线性MAC操作。然而，光学输入包含了振幅、时间、波长、偏振、相位等多个维度的信息（图2b），对新型传感范式提出了更高要求。受电学MAC操作启发，可调响应度特性使传感器能够通过向量操作实现线性光电MAC运算。在空间维度上，传感器阵列中的每个像素可对入射光强与可编程响应度进行逐元素乘法，实现图像卷积操作（如Sobel、高斯滤波等），从而在硬件层面直接提取边缘、模糊等视觉特征。在时间维度上，二维材料的可调载流子动力学可实现对不同时间尺度视觉输入的整合，其响应度既可以是易失性的（如指数衰减，用于运动感知），也可以是非易失性的（用于多级视觉信息存储）。进一步地，广义的MAC操作可扩展至包含空间坐标、时间、波长、偏振和相位的高维张量，而二维材料的独特性质使得通过电栅控、范德华异质结构建或缺陷态调控，实现对高维光学信息的选择性与可编程编码。

图 2 | 从电输入过渡到光输入

用于集成传感的二维材料

二维材料具有大比表面积、弱范德华相互作用、低暗电流等特性，对外界扰动敏感，具备宽范围可调性。它们能够编码多维度光学信息：对于振幅通道，可通过场控形成面内p-n结，实现高线性度与可调响应度；对于时间通道，材料中的缺陷态可引入陷阱态，延长载流子寿命，从而编码瞬态或持久光电流；对于波长通道，通过斯塔克效应等机制可调控能带隙，改变光谱响应范围；对于偏振通道，可通过打破空间反演对称性，利用体光伏效应实现偏振信息编码。此外，二维材料支持原子级别的精确调制，例如通过堆叠、滑动、旋转等自由度实现摩尔光子学与光电子学应用。二维材料还能解锁基于单晶的单片三维集成，其无悬挂键的范德华界面可避免晶格失配问题，且具有高热导率，有助于降低热致电荷泄漏。两种主流的集成策略包括：将二维材料传感器阵列在制造后期转移到CMOS芯片上，或完全用二维材料构建垂直堆叠的柔性系统。

用于光谱编码的二维材料

光谱编码器件本质上是一类响应可调的光探测器，其机制涵盖光导效应、光伏效应、光热电效应和光辐射计效应。斯塔克效应可通过强栅压降低能带隙，扩展吸收光谱，例如黑磷的带隙可调制数百毫电子伏特，覆盖中红外至长红外波段（图3a）。电化学机制则利用锂离子嵌入/脱出改变石墨烯的费米能级，实现光谱响应的显著变化（图3b）。能带工程通过p-n结调控载流子输运机制（热电子发射、隧穿等），实现多色响应（图3c）。体光伏效应在非中心对称材料中产生稳态光电流，例如扭曲的双层石墨烯在5μm和7.7μm波长处表现出可调的中红外圆光电流效应（图3d）。激子效应在二维材料中结合能高达500 meV，可在室温下产生带隙以外的光响应（图3e）。光谱重建过程包括前端调制（焦平面分割或时间分割）与后端解码（光谱反演或神经网络）。性能评估的关键参数包括响应度、响应时间、区分状态数、光谱范围和能效等（图3g, h）。基于光伏效应的器件线性度高、能耗低，但响应度较低；基于光导效应的器件响应度高，但线性度受限。

图 3 | 用于光谱编码的二维材料

用于时间编码的二维材料

时间编码器件更像是由光学输入驱动的存储器，其机制包括电荷陷阱、浮栅存储、铁电效应、氧化还原/空位迁移和相变。电荷陷阱导致的光电导变化通常是易失性的，呈指数衰减（图4a）。浮栅存储器中，光激发可使浮栅层中的电子逃逸到沟道，二维材料可定制势垒高度，将入射光波长扩展至近红外范围（图4b）。铁电异质结（如MoS₂/钛酸钡）中，光生载流子会屏蔽极化电场，导致异常的铁电响应（图4c）。氧化还原与空位迁移在二维材料中更为显著，例如氧空位在石墨烯/MoS₂₋ₓOₓ/石墨烯结构中的迁移导致电极的还原或氧化（图4d）。相变机制在MoTe₂等材料中尤为突出，光诱导的Te空位可使2H相转变为1T'相（图4e）。在运动检测应用中，时间编码分为单帧记忆（非易失性）和多帧记忆（易失性）两种方式（图4f）。浮栅存储器具有高开关比和快速编程速度，但开关能量较高；陷阱基器件结构简单、功耗低，但编程速度受限（图4g, h）

图 4 | 用于时间信息编码的二维材料

挑战与展望

尽管二维材料在集成传感领域取得了令人振奋的进展，但仍面临若干关键挑战。首先是超薄本性与吸收率之间的固有矛盾：静电调制（如斯塔克效应）仅在少层二维体系中高效，超过10 nm后因介电屏蔽效应而迅速减弱。对于需要高吸收率的体材料应用，III-V族化合物半导体可能是更好的选择；但对于超表面、波导等长光-物质相互作用场景，二维材料的超强光电响应可克服这一挑战。其次，器件的响应度、可重构性和耐久性高度依赖于二维材料的质量。机械剥离法虽质量高，但难以工业化；液相剥离法可批量生产，但质量较差。目前，化学气相沉积法是大规模生长的首选，而通过几何限域生长策略，已在晶圆尺度上合成了单晶WSe₂和MoS₂阵列。此外，二维材料与现有半导体制造工艺（如后道工序）兼容，可实现高密度集成（图5d）。未来的重要方向是实现集成传感层的三维垂直堆叠，将光谱编码与时间编码等功能集成于单芯片上，缩短电学与光学路径，降低能量损耗。最后，集成传感的多维信号不仅限于光学通道，还可扩展至应变、湿度、生物信号等，在柔性可穿戴设备与植入式生物传感器中具有广阔前景。结合先进算法，集成传感器将有望彻底打破传统分立架构的桎梏，开创感知与计算深度融合的新纪元。

图 5 | 基于二维的集成传感器的挑战与展望