智能边缘应用如微型机器人和可穿戴设备的兴起，对视觉感知系统的低功耗特性提出了严苛要求。传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）架构虽然技术成熟，但其模数转换与算法运行所带来的计算和存储开销，往往超出了边缘设备的极低功耗预算。感算一体技术通过在单个芯片内集成光学传感与模拟计算，能够从源头上减少数据冗余并显著降低能量消耗，已成为解决上述瓶颈的关键路径。目前研究者多尝试利用静电掺杂或二维材料来编码可调光响应度权重，以此执行神经网络核心的矩阵向量乘法运算。

当前的直接光电流计算仍面临设备物理机制不健壮以及集成缩放困难等根本性挑战。许多现有方案缺乏真正的双极性、非易失性光响应度，且二维材料在集成过程中所需的高温环境容易损坏关键的读出电路介质，依赖手动转移的技术也导致制造良率低下。此外随着视觉任务复杂度的提升，模拟域处理面临着超线性能量缩放的效率难题。如何在优化操作精简度与模拟计算开销之间取得平衡，并实现与成熟读出电路的大规模单片集成，仍是制约感算一体系统迈向实际应用的关键症结。

针对上述问题，由北京理工大学、中山大学、厦门大学和香港科技大学等组成的团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了系统研究，该团队开发出一种基于硫铋银材料的对称性可重构光电二极管，通过电压编程触发银离子的局域电化学反应来实现器件对称性的可逆转变，从而为感内直接光电流计算提供了具备非挥发性、高缩放潜力的双极性光响应权重。

本研究首次提出并构建了一种基于硫铋银材料的对称性可重构光电二极管，旨在从根本上解决边缘硬件中直接光电流计算权重单一的基础性物理难题。研究人员将宽带光吸收材料硫铋银微纳结构阵列化沉积于高功函金属电极之间，形成背靠背的对称肖特基结。在无偏压状态下，这种对称结构能够有效阻挡暗电流；而当施加特定编程电压时，材料内部的银离子发生局域电化学还原反应，导致单侧肖特基势垒降低，从而打破原有对称性。这一物理过程赋予了器件在正负短路光电流之间自由切换的能力，为神经形态视觉系统提供了真正的双极性、非易失性光电响应权重，克服了传统器件架构复杂的局限。

图1 对称性可重构光电二极管（SRPD）的设计与工作原理

图2 原位材料与器件表征

为了确凿证实上述对称性重构的微观物理根源，研究团队深入开展了纳米尺度的原位电子显微学动态表征。在揭示阳离子迁移规律的透射电子显微镜观测实验中，研究人员特意引入了泽攸科技的原位样品杆，为芯片微观样品提供稳定的实时电信号激励与精密电学测试环境。通过该原位样品杆的精准操控与数据采集，研究不仅清晰捕捉到了微观银细丝在电压驱动下的原位生成与湮灭全过程，还严格验证了硫铋银晶格在经过多次完整极性反转循环后依然保持高度的结构完整性与化学稳定性。这种结合高空间分辨率与实时电学操控的表征手段，为双极性光电突触权重的底层工作机理提供了不容置疑的实验证据。

图3 光电探测器表征与读出集成

图4 非对称模式下对称性可重构光电二极管的光电特性表征

跨越单一器件向阵列化芯片演进的制造壁垒，是本项研究在半导体集成工艺领域取得的核心突破。传统神经形态光电材料的高温生长条件往往与现有成熟硅基工艺相冲突，而本研究所采用的硫铋银材料具有在两百摄氏度以下低温加工的优异特性，且完美支持微米级高精度光刻构图工艺。基于这一制造优势，研究团队成功将成千上万个光电二极管像素单元与薄膜晶体管读出电路进行了无损单片集成，制造出高分辨率的宽光谱图像传感器芯片。该集成阵列展现出极低的空间串扰与高度的器件电学一致性，全面兼容标准微电子制造平台，为未来面向工业化量产的百万像素级感算一体智能感知芯片铺平了规模化制造的道路。

图5 用于感内图像信息处理的神经形态对称性可重构光电二极管

基于所研制的新型图像传感器芯片，研究团队成功演示了双模式驱动的边缘智能机器视觉感知系统。在信息无损采集的对称模式下，该阵列传感器凭借其卓越的宽光谱响应能力，出色完成了复杂遮挡环境下的红外透视成像任务。而在聚焦计算的非对称模式下，传感器利用原位配置的非易失性光电导权重，在光信号接收端直接执行了特征提取、边缘检测以及并行模式识别等光电卷积运算。研究团队进一步将该感算一体硬件架构与无人机及机械臂控制系统深度融合，构建了一个混合式卷积神经网络，实现了具备极高识别准确率与纳秒级极低延迟的眼动追踪人机交互应用，充分展现了该技术在人工智能物联网终端的巨大潜力。

图6 基于光电二极管实现的用于眼部图像识别与执行器控制的混合卷积神经网络

泽攸科技作为中国本土的高端精密仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的一流供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为该研究成果中用到的泽攸科技原位TEM样品杆产品：

JEOL兼容原位探针杆