研究背景
当前，全球航天竞赛已从“到达”迈向“驻留”与“利用”。月球科研站、载人登月、火星采样返回等重大深空探测任务快速推进，对探测器的在轨生存能力与自主作业水平提出了全方位、高标准的要求，亟需突破深空极端环境下的载荷适配技术与智能感知核心技术。在外星球复杂恶劣的极端环境中，探测器无法依托地面实时遥控辅助，需完全独立完成地形感知、障碍规避、科学目标识别与实时智能决策，这对星载视觉感知系统的环境适应性、稳定性与实时计算效率提出了前所未有的严峻挑战。
然而，航天器面临的核心矛盾在于，行星表面的温差跨度极为剧烈。月球赤道昼夜温差超过300 °C，水星表面更是从-180 °C到430 °C。传统的视觉感知与处理硬件难以在此类极端温度下同时存活并工作。光电突触器件（OSD）将感知、存储与计算集成于单一架构，有望突破“感-寸-算”分离瓶颈。但现有OSD在350 °C以上即失效，无法满足航天任务热学要求。另一被忽视的问题是，少数耐高温光电器件多依赖SiC、Ga2O3等宽禁带半导体，对可见光不敏感，形成“高温光谱盲区”。而可见光恰是地形识别、目标跟踪的关键信息载体。这一矛盾，使现有技术面临“有生存则无视觉、有视觉则难生存”的两难困境。
成果简介
近期，华中科技大学李鹏教授、清华大学尤政教授、华中科技大学陶光明教授、卢文龙教授等人合作，通过对二维材料异质结的界面设计，研制出基于MoS2/六方氮化硼（h-BN）/石墨烯范德华异质结的光电突触器件，相关成果发表于Nature Communications（doi.org/10.1038/s41467-026-76364-z）。第一作者为清华大学邹毅璇。
团队通过h-BN与石墨烯的协同保护，将器件工作温度范围拓展至640 ℃（-190 ℃至450 ℃），覆盖了大多数类地行星与月球的极端温度。在极端温度下连续工作30分钟，器件电学性能无明显变化，5小时后仍保持出色的传感性能。同时，器件实现了紫外到可见光的宽带光检测，突破了宽禁带半导体在高温下固有的“光谱盲区”限制。得益于无悬挂键的范德华界面与低肖特基势垒，器件在极端温度下展现出强大的神经形态功能，表现出高度可调的突触可塑性，其450 ℃下的保持时间可调比高达16137，较现有最先进的耐高温OSD高出约1600倍。通过栅压调控，记忆状态可在40.9 ms（Vgs=-4 V）至660 s（Vgs=0 V）范围内连续调节，完成短时记忆向长时记忆的转换。此外，受生物暗视与明视视觉适应机制启发，该器件实现了自适应传感器内处理，可将多个数据集的微光图像识别精度提升15%以上。团队还将器件集成于机器狗漫游车平台，验证了其传感应用潜力。该工作为行星探索及其他极端环境下的智能视觉感知系统奠定了重要基础。
图注说明
图1 面向极端环境应用的仿生MoS2光电突触器件（OSD）。（a）搭载该器件的巡视器在极端温度（−190 ℃至450 ℃）下进行行星探测的示意图。（b-e）器件结构：（b）三维结构示意图，Vgs和Vds分别为栅源电压和漏源电压。（c）器件实物图。（d）六方氮化硼（h-BN）/石墨烯/MoS2/h-BN异质结截面示意图。（e）光学显微镜图，S、G、D分别表示源极、栅极和漏极。（f）异质结截面高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，显示原子级平整的范德华界面。（g）本工作（红色）与已报道耐高温光电器件（黑色）在温度与波长方面的性能对比，虚线表示工作波长与温度之间的制约关系。（h）栅压调控下短时记忆向长时记忆转变的高可调突触记忆行为。（i）传感器内处理概念演示。
图2 MoS2 OSD的极端温度稳定性与宽带光电响应。（a）器件在450 ℃与-190 ℃连续工作30分钟前后的转移特性曲线。（b）5小时热处理前后MoS₂沟道的拉曼光谱。（c）器件保护机制示意图与结构表征，对比石墨烯与金属电极对O2、H2O侵入的阻隔能力及界面平整度。（d）器件在450 ℃和-190 ℃下暗态、光照态和光照后的转移特性曲线（Vds=0.5 V）。（e）254 nm、450 nm和530 nm光照下光电流随温度的变化。（f，g）450 ℃（f）与−190 ℃（g）下的时间分辨光响应。（h）与已报道耐高温OSD的性能对比雷达图。
图3 450 ℃突触可塑性与记忆行为模拟。（a）生物突触示意图。（b）双脉冲易化（PPF）指数随脉冲间隔的变化，插图为测量方案。（c-f）通过增加脉冲数（c）、光强（d）、频率（e）与脉宽（f） 实现的短时可塑性向长时可塑性转变。（g）基于短时记忆（STM）与长时记忆（LTM）的“学习—遗忘—再学习”过程示意。（h）450 ℃下连续四个“学习—遗忘—再学习”循环，ΔI1-4为各遗忘阶段末的残余电流。
图4 栅可调突触记忆及其工作机制。（a）不同栅压（-4 V至0 V）下归一化的瞬态光响应衰减曲线。（b）两种典型记忆状态对比：长时程记忆（上，Vgs=0 V，保持时间约660 s）与短时程记忆（下，Vgs=-4 V，衰减时间约40.9 ms）。（c）本工作与已报道耐高温OSD的动态存储范围与保持时间可调比对比，本工作（红星）达16137，高出约1600倍。（d）高栅压（上）与低栅压（下）下栅控载流子俘获/释放机制的能带图。（e）SiO2介质器件的转移特性曲线。（f）SiO2介质器件工作原理示意。（g）Pt电极器件的转移特性曲线。（h）Pt电极器件机制示意。
图5 仿生栅可调暗/明视觉适应与传感端内图像增强。（a）人眼在明（视锥主导）、弱（视杆主导）光条件下适应的示意图。（b）视锥与视杆细胞响应强度随光强变化的示意。（c）Vgs=−4 V与0 V下归一化光电流随入射光功率密度的变化，散点为实验值，虚线为拟合曲线。（d）图像增强演示：明光下线性成像，弱光下非线性增强。（e）基于卷积神经网络（CNN）的识别流程。（f）弱光与增强CIFAR-10数据集的识别准确率随训练轮数的变化。
总结展望
本工作利用原子级薄的MoS2/h-BN/石墨烯异质结，研制出可在640 ℃跨度（-190 ℃至450 ℃）内稳定工作的光电突触器件，在现有OSD失效的极端温度下建立了热生存能力。器件实现了450 ℃下紫外至可见光探测，有效弥合了高温光学传感器的光谱空白，其栅极可调存储与暗/明视觉适应功能支持极端温度下的瞬时响应、持久存储及光照变化的动态自适应。极端温度耐受性、可见光感知与自适应神经形态计算的结合，为恶劣环境中的自主智能视觉奠定了硬件基础。该工作为我国深空探测、载人登月等重大航天工程的自主智能感知系统提供了关键技术储备，也为行星探测中部署智能神经形态系统开辟了可行路径，同时在深井测井、工业监测等陆地极端环境中同样具备广阔应用前景。
通讯作者简介
尤政，中国工程院院士，华中科技大学校长, 清华大学精密仪器系教授。长期从事微米纳米技术、智能微系统技术及其空间应用研究。
李鹏，华中科技大学机械科学与工程学院教授，国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者。主要从事微纳传感器、低维材料超灵敏传感、原子尺度极端制造等研究。
陶光明，华中科技大学华中卓越首席教授，武汉光电国家研究中心教授，智能纤维器件与装备研究中心主任，国家杰出青年科学基金获得者、新基石科学基金会“科学探索奖”获得者。
卢文龙，华中科技大学机械科学与工程学院教授。主要从事微纳器件与检测、超表面光学等研究。
论文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-026-76364-z
