近日，浙江大学——浙大城市学院杜思超教授团队，联合浙江大学皮孝东教授、浙江理工大学郭道友教授团队，在二维范德华异质结光电子计算领域取得突破性进展，成功研制出ReS2/Gr/h-BN/Gr多层范德华异质结可重构光电器件。该器件依托波长、光强调控实现功能动态重构，仅依靠单一器件即可完成OR、AND、NOR、NAND、NOT、XNOR六大基础逻辑运算，相关原创研究成果正式发表于国际知名期刊《Small》，为后摩尔时代低功耗、高密度光电计算芯片开辟全新技术路线。
突破硅基芯片瓶颈，光电一体化运算化解转换损耗难题
当前传统硅基集成电路已逐步逼近物理尺寸极限，而主流光电计算系统需反复完成光电、电光信号转换，带来不可忽视的信号损耗与传输时延，制约高速算力、高密度集成场景落地。
针对行业痛点，团队采用机械剥离制备二维材料堆叠结构：石墨烯（Gr）充当电极与栅极，二硫化铼（ReS₂）作为光响应核心沟道，六方氮化硼（h-BN）作为隔离封装层。各层材料依靠范德华力紧密结合，界面不存在晶格失配缺陷；h-BN保护层可隔绝空气氧化、大幅压低器件暗电流，器件在空气中存放数周后，仍能保持95%以上原始光响应性能，环境稳定性优异。
核心机理：双极性光电流，用光信号定义逻辑0与1
本研究创新核心在于波长依赖型双极性光电流调控机制，器件输出电流极性由材料开路电压与外部偏压竞争关系决定：
- 365 nm紫外光光子能量高，在ReS₂沟道激发出大量电子-空穴对，产生超30mV开路电压，压制外部偏压，输出负向光电流。
- 635 nm可见光光子能量较低，生成开路电压强度有限，外部偏压主导载流子传输，输出正向光电流。
研究将正负双向光电流作为逻辑高低电平载体，以两种波长光源作为二进制输入信号、可调功率背景光作为全局调制信号。仅通过改变背景光的波长与光强，就能一键切换器件运算模式，真正实现单器件多功能硬件复用。
器件综合性能拉满，多项指标优于同类二维光电器件
经系统实验测试，该异质结器件光电综合性能具备规模化实用价值：
(1)超低噪声基底：暗电流低至15 pA，漏电与基底噪声极低；365 nm 紫外光下光开关比超 104，光电转换能力突出；
(2)高灵敏探测：365 nm紫外光响应度 730 mA/W，635 nm可见光响应度490 mA/W，比探测率最高可达1011Jones；
(3)栅压灵活调控：正栅压提升沟道载流子浓度、放大光电流，负栅压抑制光响应，可精准微调逻辑判别阈值；
(4)超快响应速度：器件响应速度达到亚微秒级别，完全适配高频光脉冲实时处理场景。
单器件覆盖六大逻辑门，硬件规模、功耗实现双重大幅缩减
研究以365nm紫外、635nm可见光LED作为二进制输入光源，划定专属电流区间区分逻辑 0、1，搭配缓冲区间抑制噪声干扰。通过调控背景调制光功率，器件可稳定实现六种标准逻辑运算，完整复现对应真值表与时序输出曲线。对比传统CMOS集成电路，该器件硬件资源占用大幅缩减：实现XNOR逻辑所需晶体管数量减少87.5%，其余五类逻辑门晶体管用量降低50%-83%；单次逻辑操作功耗仅约60pW，可兼容成熟65nm半导体工艺，无需高端制程，便于低成本规模化集成。
落地物理层光电加密通信，为算力安全提供原生硬件方案
依托 XNOR 逻辑“相同出 1、不同出 0”的特性，团队搭建一套原生光电加密通信演示系统，实现硬件级物理层加密：
- 发送端将明文“HZCU”编码为两路365 nm光脉冲序列作为输入信号；
- 接收端异质结器件直接完成XNOR逻辑运算，无损解码还原原始文字；
- 天然安全属性：窃听者若无匹配的调制光波长、光强参数，仅能捕获无意义乱码，全程无需额外算力支撑加密运算，高度适配AI算力中心片上光互联、短距离保密通信等场景。
研究意义：重构光电计算架构，赋能下一代超低功耗算力终端
传统光电计算采用“光传输、电运算”分离架构，多次信号转换造成性能损耗。该成果实现光信号直接参与逻辑运算，省去冗余转换环节，兼具小型化、低功耗、高稳定优势，为AI算力集群、低功耗物联网终端、硬件加密光通信提供新型硬件方案，加速二维范德华材料在光电计算领域产业化落地。
文献链接
Reconfigurable Optoelectronic Logic Gates With Wavelength-Dependent Bipolar Photoresponse From ReS₂/Gr/h-BN/Gr Heterojunctions, Small, 2026. DOI：https://doi.org/10.1002/smll.74582
