近期，中科院一区Top期刊《Laser & Photonics Reviews》在线发表了我院与浙江大学合作完成的综述论文，题为“Advances in 2D Linear-Polarization-Sensitive Optoelectronic Synapses: From Anisotropic Carrier Dynamics to Neuromorphic Polarized Vision”。其中，杭州电子科技大学电子信息学院和碳中和新能源研究院为第一通讯单位；杭电2023级本科生叶博羽为论文第一作者，杭电刘晓助理研究员、严文生教授和浙大皮孝东教授为论文共同通讯作者。
研究背景
偏振是光除强度与波长之外的又一重要信息维度，在加密光通信、仿生智能导航和抗眩光机器视觉等领域具有重要应用价值。传统偏振探测通常依赖偏振不敏感的光电探测器搭配外置偏振片或机械旋转部件，不仅增加了系统的体积、复杂度和成本，也不利于与新型神经形态硬件高密度集成。更重要的是，传统偏振探测器主要负责把偏振光信息转换为电信号，本身不具备可塑性、记忆与传感内预处理功能。相比之下，将偏振感知功能融合于光电突触，在器件层面实现偏振感知、记忆与预处理一体化，有望减少信息传输与后端处理的负担，为构建高密度、低功耗神经形态偏振视觉系统提供新方案。
二维材料为构建片上线偏振敏感光电突触（LPOS）提供了独特的平台。其原子级厚度、强光–物质相互作用和可调电子结构有利于在超薄尺度下实现高效光电转换；较高的比表面积和丰富的界面特性则有利于通过缺陷态、界面态及局域电场调控光生载流子的俘获、存储与输运。与此同时，二维材料的范德华异质集成为将各向异性吸收与电荷俘获进行功能解耦和协同优化提供了设计自由度，并具有高集成密度以及与现有CMOS平台兼容的潜力。近年来，基于二维材料的LPOS研究发展迅速，但不同材料设计策略、偏振相关载流子动力学与突触机制之间仍缺乏系统的比较与归纳。因此，有必要从材料设计、物理机制和器件功能等维度建立统一的分析框架，系统梳理二维材料LPOS的发展脉络，明确其未来发展的关键挑战。
成果介绍
有鉴于此，作者们系统总结了二维LPOS领域近年来的研究进展。首先，围绕三类材料设计策略展开梳理： （1）本征低对称二维晶体，涵盖三斜晶系的ReS2和ReSe2，正交晶系的BP和b-As0.2P0.8，以及单斜晶系的Nb2GeTe4、NbOI2和NbOCl2； （2）异质结工程，包括光电协同调控与全光调控两类体系； （3）在本征各向同性二维晶体中人工引入各向异性，如电子束辐照、双应力层自卷曲、飞秒激光相变与等离子体刻蚀等策略。三类策略所制备的代表性器件的光电流二向色比范围分别为1.21~4.70、1.39~10.55和1.63~2.80，其中基于PdSe2/WS2异质结的LPOS在980 nm下取得了10.55的高二向色比，基于ReS2/WSe2与BP/MoS2异质结的LPOS则表现出优异的非易失保持特性，其保持时间经实验数据外推可超过10年。
在此基础上，作者们构建了从晶体低对称性、偏振选择性吸收到载流子动力学和突触可塑性的系统关联框架，归纳出四类核心突触机制：缺陷主导的载流子俘获、应变诱导体光伏效应辅助的载流子分离、本征慢载流子弛豫以及异质结介导的电荷存储。综述进一步介绍了LPOS在偏振编码光通信、仿生偏振导航以及传感内偏振成像与信息处理方面的应用，并指出当前多数LPOS器件的二向色比普遍低于10、已报道的物理阵列规模仅为3×3至7×7等瓶颈。针对上述问题，作者们进一步提出了发展强各向异性材料、实现主动可调偏振敏感性以及推动晶圆级集成的未来发展方向。
图文导读
图1.二维LPOS研究进展总览。(a-c)三类材料设计策略：本征低对称二维晶体、异质结工程和人工各向异性；(d-f)四种核心突触机制：缺陷主导的载流子俘获、应变诱导体光伏效应辅助的载流子分离以及异质结介导的电荷存储等；(g-i)代表性神经形态应用：偏振编码光通信、仿生偏振导航以及传感器内偏振成像与信息处理。
图2.基于单一低对称二维晶体的LPOS中，偏振调控突触可塑性的物理机制示意图。
图3.二维LPOS在偏振编码光通信和仿生偏振导航中应用示意图。
图4.二维LPOS在传感內偏振成像和信息处理中应用示意图。
总结展望
该综述系统梳理了二维LPOS的三类材料设计策略，并以四种载流子动力学机制为主线建立了从晶体低对称性、偏振选择性吸收到载流子动力学和突触可塑性的比较框架。偏振选择性吸收是多数LPOS实现偏振感知的物理起点，而光激发产生的载流子如何进一步实现分离、输运、俘获与存储，则因材料体系和器件结构而异。缺陷俘获机制可实现较长的载流子保持，但过量缺陷可能牺牲响应速度；应变–体光伏机制有利于实现快速光生载流子分离与自供电响应，但其长期电荷保持能力相对有限；本征慢弛豫机制在单一材料中即可实现持久载流子积累，但其较慢的弛豫动力学可能限制响应速度；异质结电荷存储机制能够兼顾偏振选择性与非易失性，但通常依赖更复杂的界面与能带工程。因此，LPOS的机制选择需要在保持时间、响应速度、能效与器件复杂度之间进行综合权衡。
展望未来，作者们提出三个主要发展方向：一是探索强各向异性材料，发展铁电二维材料（如NbOCl2、NbOBr2）、Janus二维材料（如CrSBr）以及层状拓扑绝缘体薄膜（如Bi₂Se₃）等具有显著各向异性光电响应的材料体系，进一步提升偏振灵敏度。二是发展偏振灵敏度主动调控策略，通过亚波长阵列结构设计、表面等离激元增强、扭转角工程与铁电极化调控等策略，突破本征材料偏振响应的限制；例如铁电畴调控的BP同质结在1450 nm下已实现高达288的二向色比。三是推进系统级集成，发展化学气相沉积（CVD）、脉冲激光沉积（PLD）、分子束外延（MBE）与二维直拉法等可扩展二维材料生长技术，探索大面积生长与晶轴取向控制，实现由当前小规模物理阵列向32×32及更大规模阵列的扩展，并进一步集成读出电路。随着低对称材料设计、界面载流子工程和人工对称性破缺策略的持续发展，二维LPOS有望由概念验证型器件进一步迈向具备智能偏振感知、记忆与传感内预处理能力的高集成神经形态偏振视觉平台。
文献链接
Boyu Ye, Xiao Liu*, Lang Pei, Xusheng Wang, Wensheng Yan*, Xiaodong Pi*. Advances in 2D Linear-Polarization-Sensitive Optoelectronic Synapses: From Anisotropic Carrier Dynamics to Neuromorphic Polarized Vision. Laser & Photonics Reviews, 2026, e72009.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.72009