四川大学材料科学与工程学院杨磊、谭超与合作者，在 Journal of Materials Science & Technology 发表题为“Spatially encoded broadband all-optical thermoelectric synapses for in-sensor computing”的研究成果。
该研究创新性地利用硒化银（Ag2Se）的光热电效应，构建了一种自供电、宽光谱、空间编码的全光调控人工突触，实现了从405 nm到1550 nm的宽光谱响应、兴奋与抑制双向突触可塑性，并通过器件参数驱动的神经网络模拟了多任务识别能力，为低功耗感存算一体化硬件的发展提供了新的技术路径。
｜研究背景：让传感器不仅能“看见”，还能“思考”
随着物联网和人工智能技术的快速发展，信息感知与处理系统面临着日益增长的计算需求。传统的冯·诺依曼架构，分离的计算单元和存储单元在处理高吞吐量数据时存在数据传输量大、功耗大和处理延迟等局限性。
受人脑视觉系统启发，感存算一体化（In-sensor Computing）逐渐成为新型智能硬件的重要研究方向。其中，人工光电突触能够将外部光刺激转化为具有记忆特征的电学响应，被认为是构建类脑视觉系统的关键器件之一。尽管已有研究取得了显著进展，人工光电突触仍存在诸多限制，依赖额外电学偏压、光谱响应范围有限、双向突触可塑性调控存在困难。针对上述问题，研究团队将目光转向了一种不同于传统光电导调控的物理机制—光热电效应（Photo-thermoelectric Effect）。
｜机制突破：一束光的位置，决定突触的“兴奋”和“抑制”
研究团队选择具有良好热电性能和光吸收的Ag2Se作为核心功能材料。当光照射在Ag2Se器件表面时，材料吸收光能并产生局部温升。基于塞贝克效应可以驱动热电电势的产生。随着光照位置连续改变，器件的光热电响应能够在正向（Positive photo-thermoelectric response，PPTR）以及负向（Negative photo-thermoelectric response，NPTR）之间直接切换，实现连续可调的双极性响应。实验结果还表明，Ag2Se人工突触可以在405–1550 nm范围内产生光热电响应，覆盖可见光与近红外波段。为验证其应用价值，研究团队利用Ag2Se器件构建了LeNet卷积神经网络模型。该模型采用多个并行任务分支相结合的架构，实现了微笑检测、性别识别和图像识别任务，准确率分别达到了92.2%、98.6%和94.3%。
随着热电材料设计及神经形态架构的持续发展，这类具有宽光谱感知与双向突触可塑性能力的新型器件，有望为低功耗智能视觉、边缘人工智能及感存算一体化系统提供新的设计思路。
图1 基于光热电机制的全光调制突触的示意图。（a）人类视觉感官系统的示意图。插图显示了生物突触对生物脉冲的反应。（b）基于Ag2Se光热电器件的全光人工突触示意图。（c）Ag2Se光热电器件实现的逻辑门和类脑神经形态计算的概念图。
图2 Ag2Se热电薄膜的表征与性能分析。（a）Ag2Se粉体的XRD图谱。（b）Ag2Se基墨水的剪切应力和粘度随剪切速率的变化关系。（c）退火后薄膜的XRD图谱。丝网印刷后（d）、在300℃、30 MPa下热压30分钟后（e）和在200℃、1 MPa下退火2小时后（f）的Ag2Se薄膜的SEM图像。热压及退火Ag2Se薄膜的塞贝克系数（g）、电导率（h）和功率因子（i）随温度的变化关系。
图3 Ag2Se器件的电学和光学特性。（a）Ag2Se光热电器件的示意图。（b）I-V特性曲线。（c）Ag2Se器件在10秒光照射下，功率密度为17.5 mW cm⁻2、不同波长下的光热电响应。（d）Ag2Se器件在10秒光照射下，波长为1550 nm、不同功率密度下的光热电响应。（e）Ag2Se器件在1550 nm照射下，功率密度为17.5 mW cm⁻2、不同脉冲持续时间下的光热电响应。（f-i）分别由405 nm、520 nm、808 nm和1550 nm照射引起的PPF效应。（j）不同波长照射下脉冲间隔与PPF指数的关系。
图4 Ag2Se器件的PPTR/NPTR。（a）生物突触产生的兴奋性与抑制性信号示意图。插图显示了器件在光源从端A移动至端B时，以17.5 mW cm⁻2功率密度照射1550 nm光1秒所产生的光热电响应。（b）器件在不同位置、以17.5 mW cm⁻2功率密度照射1550 nm光1秒时的光热电响应，以及对应位置的有限元热分析结果。（c）NOT和XOR逻辑门的概念实现及其真值表。
图5 人工神经网络用于并行任务识别。（a）Ag2Se器件在不同位置、以1550 nm光照射且功率密度为17.5 mW cm⁻2时的STP和抑制易化响应。（b）用于微笑检测、性别识别和图像识别的并行任务学习模型的CNN架构。（c）三个并行任务的识别准确率。
论文链接：DOI: 10.1016/j.jmst.2026.09.062
