二维Bi₂Se₃光电器件实现正负光电导调控及五逻辑门阵列验证

momo

江苏大学张海婷、张晶晶团队联合厦门大学张雅婷利用二维材料Bi₂Se₃的正负光电导共存特性，在单一器件中实现OR、AND、NOT、NOR、NAND五种逻辑功能。该器件响应速度达352 ms（808 nm正响应）/397 ms（405 nm负响应），信噪比提升至10^8 Jones级，8×8阵列成功验证图像加密应用。相关成果发表于《Advanced Materials》。


创新点：
1. 正负光电导双向调控
• 波长选择性：405 nm紫外光触发负响应（导电性降80%），808 nm近红外光引发正响应（导电性升150%），硒空位氧吸附机制为关键。
• 响应参数：零偏压下探测率D*达2.9×10⁸ Jones（405 nm）与1.87×10⁷ Jones（808 nm）。
   

2. 单器件逻辑门重构
• 光输入组合：405 nm光作为“门控信号”，808 nm光为“数据输入”，实现OR/AND门；反之可调控NOR/NAND/NOT门。
• 动态切换：仅需调整405 nm光强（18.4→54.3 mW/cm²）即切换OR→AND功能，功耗低至6.16 nW。

3. 高密度阵列集成
• 8×8像素验证：64个像素点实现100%逻辑准确性，支持并行信号处理，适配图像传感器需求。

机理分析

1. 硒空位-氧气分子交互
• 暗态下氧分子吸附于硒空位，捕获电子形成空穴主导的p型导电。
• 405 nm光照（光子能量3.06 eV）使氧分子脱附，电子回填空穴，导电性降低（n型主导）；808 nm光子能量不足以触发脱附，维持p型正响应。

2. DFT计算验证
• 硒空位吸附O₂分子结合能-2.702 eV，低于405 nm光子能量（3.06 eV），确保波长选择性响应。

3. 自修复性能
• UV处理（375 nm真空环境）30分钟可修复氧吸附缺陷，使负响应逆转为正响应，适应环境变化。

应用验证

1. 图像逻辑处理
• 8×8阵列通过光掩模输入实现“或/与/非”运算，成功拼接“SEU”字符，拉伸50%后图像畸变率<5%。

2. 动态加密系统
• 基于XOR逻辑设计光通信加密：原始图像（光输入）与随机密钥（另一波长）执行异或运算，完成实时加密/解密，支持低功耗光信息隐藏。