二氧化釩（VO2）是一種典型的強關聯氧化物，存在多種同分異構相以及由于氧含量的細微差異導致的豐富VOx相，研究顯示通過電場、光場、壓力場等外場調控可以實現相與相之間轉換。研究團隊通過激光分子束外延方法生長了高質量的VO2/Al2O3薄膜，將其制備成光電晶體管結構并進行了光電測試。團隊發現VO2薄膜在紫外光輻照下發生了非易失變化，而在可見光照射下只有瞬態的光電響應。加大紫外光輻照劑量甚至可以誘導VO2非易失相變，由絕緣單斜相向金屬金紅石相轉變。系列表征結果表明了這主要由于紫外光輻照在VO2薄膜中產生了氧空位，而光子能量低于其氧空位激活能的可見光只產生瞬態的光電響應。在復位過程中，基于團隊在電解質調控界面離子輸運方向的前期研究基礎[Adv. Mater. Inaterfaces 2, 1500407 (2015); Adv. Mater. 30, 1801548 (2018); Adv. Mater. 31, 1900379 (2019); Adv. Funct. Mater. 29, 1902702 (2019); Nano Energy 67, 104268 (2020)]，提出了利用電解質門控的方法將氧離子插入到氧缺失薄膜的方案。因此，通紫外光輻照和電解質調控VO2中氧的脫出/嵌入，可以實現對其電導的可逆非易失性調控，進而設計了智能紫外光電傳感器件。

　　此外，研究團隊在硅晶圓上通過磁控濺射技術生長了大面積VO2薄膜，并將其制備成神經形態傳感器件陣列。通過隨機抽取其中100個器件進行測試，結果證明了薄膜展現出了良好的均勻性。在硅晶圓上生長的VO2薄膜具有與外延生長的VO2薄膜類似的光致非易失相變特性和多態可逆調控特性，證明了該新原理器件具有大規模集成潛力。進一步研究表明，溝道電流非易失變化與紫外線照射劑量呈現近似線性的關系，這為將來應用打下了良好基礎。近期，研究團隊也證明了VO2在柔性智能光電傳感器件應用的可能性[Adv. Funct. Mater. 2203074 (2022)]。

　　研究團隊基于新型的VO2神經形態光電傳感器件構建了人工神經網絡并對標準的MNIST手寫數字圖像進行識別，該神經形態紫外光電傳感器件可以對隨機引入RGB高斯噪聲的圖像進行預處理，并選擇性識別其中包含的紫外信息。對于包含RGB高斯噪聲的圖像，識別準確率僅達到24%。相比之下，利用基于VO2的神經形態光電傳感器對紫外光信息進行預處理后，圖像的識別準確率達到93%，與原始MNIST圖像的識別準確率相同。

　　物理所李格博士生和解東港聯培碩士生為共同第一作者，金奎娟研究員和葛琛副研究員為共同通訊作者。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院青促會等項目的資助。

原文鏈接：
Photo-induced non-volatile VO2 phase transition for neuromorphic ultraviolet sensors
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29456-5
Research Highlights in Nature Electronics, Vanadium dioxide remembers the light
https://www.nature.com/articles/s41928-022-00760-8
Flexible VO2 films for in-sensor computing with ultraviolet light
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202203074

Figures：

圖1 紫外光輻照/電解質門控實現了VO2的非易失性可逆調控

圖2 硅晶圓上生長的VO2薄膜器件性質

圖3 基于VO2的神經形態紫外光電傳感器件構建的人工神經網絡進行圖像識別演示