【光电子】基于氧化铋光电化学器件的尺寸不敏感型可重构逻辑门- 大数跨境

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2023-03-13

导读：广东省科学院测试分析研究所汪福宪研究员团队，通过调控p-Bi2O3的光诱导表面态，实现了p-Bi2O3高光强下OCP的异常下降，并基于此首次开发出尺寸不敏感型光电XOR门。

XOR异或逻辑门是数字电路的重要组成部分，在逻辑运算、数据加密、奇偶校验、序列检测等方面起着不可或缺的作用。传统XOR门一般由多个其他基础逻辑门组合而成，其中涉及到多个晶体管的集成，不可避免地增加了设备的复杂性，阻碍了逻辑运算的性能。传统光电器件的开路电压 (OCP) 随光强单调变化，其中p型半导体的OCP随光强增加而增加。近日，广东省科学院测试分析研究所汪福宪研究员团队，通过调控p-Bi₂O₃的光诱导表面态，实现了p-Bi₂O₃高光强下OCP的异常下降，并基于此首次开发出尺寸不敏感型光电XOR门。该研究突破了传统p型半导体OCP随光强单调增加的规律，提出了光致表面态影响费米能级钉扎位置以及OCP的理论解释，并建立了能较好预测OCP与光强定量关系的高斯函数模型。

后摩尔时代，人类对计算的需求激增，而通过增加晶体管密度来提升算力的策略已经被应用到接近极限。光电逻辑门因其简单的结构和方便的可重构性，有望在未来代替传统晶体管逻辑门。目前的光电XOR门多是基于不同波长照射下光电流极性反转特性构造的，然而此类光电XOR门面临以下问题：(1) 光电流对光电极尺寸高度敏感，要求器件以高成本进行高精度制造；(2) 需要额外判断光电流绝对值，增加了逻辑判断的复杂度；(3) 需要多层半导体薄膜和不同波长的激发源。

图1. 尺寸不敏感型光电XOR门

为了解决这些问题，汪福宪研究员团队提出采用与尺寸无关的OCP信号来设计和构建低成本的尺寸不敏感型光电XOR门。矛盾的是，传统半导体的OCP随光强度呈对数单调变化，然而XOR门则要求输出信号随输入信号非单调变化。因此开发合适的光电极并调整其物化性质以获得OCP随光强度的非单调变化是实现与尺寸不敏感型的XOR门的关键。该工作通过改变反应磁控管溅射过程中氧分压，实现了Bi₂O₃的光诱导表面状态可控调节，获得了随光强度非单调变化的OCP信号，并基于此构造了新型尺寸不敏感光电XOR门。与常用的电流信号不同的是，OCP与尺寸无关，因此该光电XOR门不依赖高制造精度。所开发的逻辑门器件具有高稳定性和可靠性，在保证电解液供应情况下，可实现连续25200次切换。另外，通过调整输入光强度，该光电XOR门可无损重构成AND、OR、NOT、NIH、NAND和NOR等其他逻辑门。基于Bi₂O₃独特的非单调变化OCP信号的光电逻辑门为低成本设计和制造尺寸无关的逻辑门提供了全新的思路，在无损可重构数字电路中展现出巨大应用潜力。

图2. (a) Bi₂O₃在不同光强下的OCP；(b) XOR门示意图；(c) XOR门的真值表；(d) XOR门输出的预测；(e) XOR门的演示；(f) 光电极面积对Bi₂O₃的OCP和光电流的影响；(g) XOR门的连续运行稳定性测试。

该成果近期被发表在Journal of the American Chemical Society 上，第一作者是广东省科学院测试分析研究所/华南理工大学联合培养博士研究生董博恒，通讯作者是广东省科学院汪福宪研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Size-Independent Reconfigurable Logic Gate with Bismuth Oxide Based Photoelectrochemical Device

Boheng Dong, Xinya Zhang, Xiang Jiang, and Fuxian Wang*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 4969–4974, DOI: 10.1021/jacs.2c13873

汪福宪研究员简介

汪福宪，研究员，2017年于柏林工业大学取得博士学位，现任广东省科学院“百人计划”团队负责人，华南理工大学硕士研究生校外指导老师。创建光电功能材料与器件研究团队，开展光电催化与传感研究，主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省科技特派员专项、广州市科技计划项目。独立开展工作以来，以唯一通讯作者在JACS, Angew，EES，AFM等期刊上发表SCI论文，以第一发明人获授权PCT专利2项，中国发明专利5项，实现成果转化，主持横向委托研发项目（210万）。科研成果获广东省“众创杯”创新创业大赛总决赛铜奖、“广东省高校科技创新成果项目路演决赛”银奖，受邀参加香港政府庆祝新中国成立70周年系列活动，并作专题报告。

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