近年来，随着摩尔定律的放缓和冯•诺依曼瓶颈的日益突出，如何在光学与电子领域实现高速、低功耗的存算一体化系统，成为了科技界的重要课题。近日，由沙特阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授团队与浙江大学薛飞教授团队联合攻关的研究成果，成功开发出首款全光谱可编程光控忆阻器，并在全球顶级期刊Nature Nanotechnology上发表。这一创新器件的推出，标志着神经形态计算迈入了一个全新的纪元。

三大颠覆性创新

1. 这款光控忆阻器突破了传统光控忆阻器的光谱限制，采用了氮化硼（hBN）和硅（Si）异质结构，实现了紫外至近红外波段（375-1064nm）的全光谱响应，相比现有技术，波长响应范围拓宽了400%。这一突破为未来光学神经形态计算的发展奠定了坚实基础。

2. 器件具备三态可切换的光控记忆功能。在低功率激光下，器件能够激活瞬态记忆，模拟生物神经元的短期记忆；而在高功率激光下，则可形成长期稳定记忆，实现信息的永久存储。此外，单波长激光便可完成模式重构，赋予设备更多的灵活性和适应性。

3. 器件在极端环境下展现出卓越的稳定性与可靠性。其在300℃高温下能连续运行106次且性能无衰减，保持时间超过40,000秒，且支持4英寸晶圆级均匀制备，器件尺寸可精确控制至500nm。

图1：全球首款hBN/Si光控忆阻器阵列的结构设计与制备工艺全解析，涵盖低温PECVD生长hBN薄膜（250℃）、界面表征（0.34nm完美界面）、4英寸晶圆实物（500nm微缩单元）及多维度制备细节验证。

图2：光控忆阻器的多模式电学特性与性能验证图，展示其在不同光照/黑暗下的电阻切换行为（强光非易失态、弱光易失态、黑暗非阻态）、超11小时的稳定存储（40,000秒保持）、5×5阵列光写入"K A U S T"图案及千器件级电压一致性（波动＜5%）。

图3：器件在紫外-近红外全光谱（375-1064nm）下的光控开关特性及多材料对比优势图，通过5种激光波长验证其超宽带响应（覆盖人眼可见光+部分红外），并横向对比其他材料，证实其光耦合开关比与响应波长范围全球领先。

图4：光编程实现忆阻器多态记忆训练的原理验证图，展示弱光（5%功率，易失态）与强光（100%功率，非易失态）下的脉冲切换行为，以及读取时低电压（1V）稳定识别"长期记忆"的特性，完美模拟人脑神经突触的"短期→长期记忆"转化过程。

本研究首次实现了基于氮化硼/硅异质结构的超宽带、多模式可重构光控忆阻器。该器件的成功开发，不仅在理论上突破了光控忆阻器的性能瓶颈，也为下一代光学神经形态硬件的实现提供了技术支持。未来，通过进一步优化工作电压、提高面积均一性以及探索多级存储模式，该技术将在智能视觉、边缘计算等领域得到广泛应用。

随着这一技术的不断成熟，光控忆阻器有望在更加复杂和多变的环境中执行实时数据处理、信息存储等任务，助力人工智能和神经形态计算的飞跃。我们期待这一突破能为下一代高效、智能的计算系统开辟全新的天地。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-025-01991-4

拓展阅读：

https://go.nature.com/454b5I5