宽带卷积处理（BCP）是提取目标输入模式中关键特征的典型技术，尤其适用于包含从紫外到红外的多波段信息的遥感图像。在生物视网膜系统的启发下，研究人员进一步提出了感知端的BCP技术，使模拟域图像信息能够直接在视觉传感器中被捕获和处理，有利于大幅度降低系统功耗和时间延迟。然而，由于传统互补金属氧化物半导体（CMOS）平台中前端硅（Si）光电二极管和后端数字处理器普遍是分离的，使其难以实现传感与处理的同步；此外，当前基于Si和铟镓砷（InGaAs）的光电二极管具有固定带隙和掺杂分布，使其光谱响应范围局限于特定波段，因而在获取宽带信息方面受到了严峻的挑战。

通过人工堆叠不同类型的二维材料而形成的异质结构在集成和光/电信号处理方面具有显著的优势，为实现传感器内BCP硬件的小型化提供了潜在的途径。基于二维异质结的智能边缘器件是以带隙对准特征为设计基础，同时融合了光/电调制技术，由此产生的高度可调光响应将支持多种功能应用，包括可重构神经形态视觉传感器、用于图像采集与处理的偏振敏感器件和宽带光电探测器、光可调存储矩阵以及微型计算光谱仪。然而，目前实现二维异质结的主流工艺（例如机械堆叠和化学气相沉积）一方面缺乏稳定性和可扩展性，另外一方面需要超出硅基制造技术热预算的高处理温度（600℃以上），严重限制其实际应用。为了推动具有CMOS集成潜力且适用于传感器端BCP的二维光电二极管的创新，开发低温制备高度可扩展二维异质结构的方案与工艺至关重要。

本研究报道了一种基于PtSe₂/WSe₂异质结构的肖特基二极管以用于演示对宽光谱图像的宽带卷积处理。通过热辅助转化（TAC）工艺将预沉积的Pt薄膜转化为PtSe₂，可使该制造过程具有与CMOS BEOL工艺兼容的热预算。各个厚度的TAC-PtSe₂均具有高结晶度和低接触电阻（425Ω·μm），促成了异质结中原子级尖锐的界面和栅极可调的能带排列。利用该特性能够构建出极性可变的内建电场，并使该二极管具有接近10⁵的整流比。此外，该二极管在从紫外到近红外的宽光谱范围内可实现具有线性强度依赖性的正负光响应切换，这对构建用于执行不同BCP任务的卷积核尤为重要。基于此，本研究选取高光谱遥感图像演示了BCP操作（边缘检测与锐化），由此生成的输出模式具有与软件模拟结果相当的质量。这项研究将TAC工艺视为一种CMOS兼容的方法用来制造能带排列可调的2D肖特基二极管，并为可扩展宽带图像处理硬件单元的实现提供了一条可行的路径。

图1  二维TAC-PtSe₂的合成与表征。(a) 上半图：TAC工艺的示意图。下半图：PtSe₂晶格的1T结构示意图。Pt和Se原子的颜色分别为黄色和蓝色。(b) 由初始Pt厚度决定的TAC-PtSe₂的厚度缩放，插图显示了不同厚度的Pt和相应的TAC-PtSe₂薄膜的原子力显微镜表征。(c) 由不同厚度的Pt薄膜制备的TAC-PtSe₂样品的拉曼光谱图。(d) 在平行（左）和垂直（右）偏振配置下的TAC-PtSe₂薄膜的偏振拉曼强度映射图。(e) Pt 4f和(f) Se 3d能级的XPS光谱。预沉积Pt层的厚度为4 nm，括号中的数字代表元素的价态。(g)不同沟道长度TAC-PtSe₂晶体管的输出曲线，插图为器件的光学图像。TAC-PtSe₂晶体管的(h) R_c和(i) R_sh与其初始Pt厚度的关系图。

图2具有栅极可调光伏响应的TAC-PtSe₂/WSe₂异质结器件。(a)TAC-PtSe₂/WSe₂异质结器件的示意图。(b) TAC-PtSe₂/WSe₂异质结构的横截面TEM和EDS图像。TAC-PtSe₂和WSe₂的厚度分别为21.1nm和71.6nm，比例尺为20 nm。(c) 器件在V_ds=1 V下的转移特性曲线。(d) 不同V_g下器件的输出特性，V_g范围：−70 V到70 V。(e) 器件在不同V_g下的光伏响应，V_g范围为-65 V到70 V，激光的波长为520 nm，光功率密度为11.05 mW·cm^-2。(f) 在不同波长（385 nm、520 nm和980 nm）下的光伏效应极性切换。TAC-PtSe₂/WSe₂异质结构在(g) 负和(h) 正V_g下的能带排列示意图。红色/蓝色球代表空穴/电子。黑色箭头表示光照下的电子-空穴对分离，而红色/蓝色箭头表示由内建电场驱动的空穴/电子的流动方向。

图3  TAC-PtSe₂/WSe₂器件中宽带光伏响应的栅压依赖性和功率依赖性。在(a) 385nm、(b)520nm和(c) 980nm激光照射下，V_g对器件正负光响应转换的调制，其光功率密度为10.98 mW·cm^-2。在(d) 385 nm、(e) 520 nm和(f) 980 nm波长的激光照射下，V_g = ±60 V时，正负I_sc与激光功率的关系。在(g) 385 nm、(h) 520 nm和(i) 980 nm波长的激光照射下，光响应度随V_g的变化趋势。

图4使用TAC-PtSe₂/WSe₂光伏器件实现传感器内BCP。(a) 传感器内BCP的执行过程和内在机制的示意图。(b) 在紫外、可见光和近红外波长下的华盛顿特区购物中心的原始图像（https://rslab.ut.ac.ir/data）。(c)在385nm光照下由V_g获得的实验卷积核。对华盛顿特区购物中心高光谱图像在不同波段下的(d) 垂直边缘检测、(e) 水平边缘检测和(f) 锐化操作演示。

刘陶，复旦大学青年研究员，国家海外优青、上海市领军人才（海外）、上海市科技启明星获得者。主要从事二维界面调控及自旋量子器件、二维光电子及神经形态器件的研究，研究成果多次获得Nature Flatchat blog、Phys.org、nanowerk等科研媒体的评述。主持国家自然科学基金委、上海市科委等多项科研项目。

Han Z, Tian S, Wang H, et al. Low-thermal budget fabrication of two-dimensional Schottky diodes for broadband convolutional processing. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907049.