台阶仪在机器视觉中的应用：异质结人工突触器件的厚度表征

机器视觉是人工智能的重要技术方向，但现有系统通常假设输入信号是理想化的，在真实复杂环境中容易出现高置信度的错误判断，且缺乏预警机制。同时，传统架构中传感器、存储器和处理器相互分离，导致功耗高、延迟大。因此，研究人员尝试将感知、存储和处理功能集成到单一器件中，模仿生物视觉系统的高效工作方式。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

生物视觉系统具有独特的伤害感知能力：当光线过强或波长过短时，视网膜会发出疼痛信号，触发保护反应。受此启发，本研究设计了一种基于二硫化钼（MoS₂）和富硅氮化硅（sr-SiNₓ）异质结的人工突触器件。该器件利用富硅氮化硅中过量硅原子形成的Si-Si键作为深能级陷阱，实现了光信号强度的阈值检测和记忆功能，成功模拟了生物视觉的伤害感知过程。

1

实验原材料

flexfilm

实验选用纯度＞99.999%的MoS₂单晶、PDMS 转移介质、光刻胶、显影液、去胶液以及带氧化层的硅衬底等实验耗材，所有材料均满足微纳光电器件制备的纯度与工艺标准。

2

薄膜制备与器件加工

flexfilm

采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺，在带285 nm二氧化硅层的硅衬底上沉积100 nm厚sr-SiNₓ薄膜，固定沉积温度、射频功率与前驱体气体流量参数。通过机械剥离法制备薄层MoS₂，以 PDMS 为媒介干法转移至sr-SiNₓ基底，形成异质结堆叠结构。

后续采用电子束光刻、磁控溅射与剥离工艺制备器件电极：经旋胶、前烘、电子束曝光、显影定义电极图形，依次溅射5 nm Cr 黏附层与45 nm Au 导电层，再通过剥离、清洗干燥完成完整器件制备。

3

测试与表征方案

flexfilm

室温下采用半导体参数分析仪测试器件电学与光电突触性能，以365 nm、530 nm激光作为光激励源，精准调控光脉冲功率与脉宽并完成光强校准；利用拉曼光谱、台阶仪、X 射线光电子能谱（XPS），分别表征MoS₂层数结构、薄膜与电极厚度、sr-SiNₓ化学成分及缺陷陷阱态特征。

4

材料基础特性与器件工作机制

（a）具有突触特性的器件结构示意图；（b）台阶仪测试 sr-SiNₓ 薄膜厚度；（c）Au 电极厚度；（d）Cr/Au电极厚度；（e）MoS₂ 薄膜的拉曼光谱；（f）在黑暗、365 nm和530nm 光照下器件的输出特性曲线；（g）由一个530nm光脉冲（脉宽 1 s）触发的兴奋性突触后电流（EPSC）

本器件为全光控仿生人工突触，以双波段光信号作为突触前输入，受光激发可产生兴奋性突触后电流，完美复刻生物突触信号传递模式。台阶仪测试表明，沉积的sr-SiNₓ薄膜厚度约为100 nm，Au电极厚度为45 nm，Cr/Au电极总厚度为50 nm，推算Cr黏附层厚度约为5 nm，测试表征证实，制备的MoS₂为六层二维纳米片，具备优异半导体光电性能；器件在紫外、可见光下光电流远高于暗电流，短波长紫外光因光子能量更高，光生载流子数量更多，光电响应更强。

器件电学测试呈现典型 n 型半导体特性，栅压扫描出现明显电流滞后窗口。通过插入绝缘六方氮化硼对照实验，证实滞后效应来源于sr-SiNₓ的界面电荷陷阱。XPS 结果表明，sr-SiNₓ中硅元素占比高于标准氮化硅化学计量比，过量硅形成大量 Si-Si 键并引入深浅能级陷阱，具备优异的电荷捕获与非易失性存储能力。

（a）不同栅压下器件的转移特性曲线；（b）插入h-BN器件的示意图；（c）插入h-BN器件的转移特性曲线；（d）MoS₂/sr-SiNₓ 界面处的电荷捕获过程；（e）Si 2p核能级与N 1s 核能级的XPS光谱；（f）器件的工作机制，说明光照过程中的电子捕获和光关闭后的电子释放

器件核心工作机理为：光照下MoS₂产生光生载流子，电子通过缺陷辅助隧穿进入sr-SiNₓ陷阱态。光强低于阈值时，载流子主要占据浅能级陷阱，复合速度快，仅产生短时光电响应；光强超过阈值后，深能级陷阱被大量填充，载流子复合被显著抑制，沟道电导发生长时持久性变化。同时短波长光激发的载流子更易被界面陷阱捕获，表现出更强的突触易化与长时记忆效果。

5

全光控突触可塑性特征

flexfilm

（a）由一对持续时间1 s、间隔1 s的365 nm 光脉冲诱发的EPSC；（b）两个365 nm脉冲之间PPF指数对Δt的依赖性；（c）由一对持续时间1 s、间隔1 s的530 nm光脉冲诱发的EPSC；（d）两个530 nm脉冲之间PPF指数对Δt的依赖性

配对脉冲易化（PPF）是生物短期突触可塑性的典型特征，也是视觉时空信息处理的核心基础。实验表明，365 nm 与 530 nm 光脉冲均可诱导器件产生显著PPF 效应；脉冲间隔在 0.1~9 s 范围内，PPF 指数随间隔增大呈规律性指数衰减，与生物突触变化趋势一致。

经双指数函数拟合得到快慢两类弛豫时间常数，分别对应浅能级陷阱快速弛豫、深能级陷阱慢速释放过程，时间常数量级差异与生物突触高度吻合。同一脉冲间隔下，365 nm 短波长光的 PPF 指数更高，说明光波长可有效调控突触动力学响应特性。

通过施加不同频率的（a）365 nm 和（b）530 nm 光刺激来改变突触后电流；通过施加不同脉冲数的（c）365 nm 和（d）530 nm 光刺激来改变突触后电流

通过改变光脉冲频率与脉冲数量，器件成功模拟短时记忆（STM）与长时记忆（LTM）及其相互转化。低频脉冲刺激下陷阱载流子可充分释放，呈现长时记忆；高频脉冲间隔短，载流子来不及完全释放，响应快速衰减，表现为短时记忆。随着光脉冲数量增加，突触后电流衰减变慢，脉冲数越多记忆保持效果越显著，贴合生物“多次学习强化记忆”的生理规律。

6

视觉伤害感知仿生功能实现

flexfilm

视觉损伤感知概念图

依托人眼视网膜光损伤生理机制，本器件完整复刻伤害感知的阈值特性、痛觉过敏、异常性疼痛与弛豫四大核心特征。实验设定 15 nA 为伤害感知阈值，365 nm 紫外光在光强 0.5 mW 时触发阈值响应，激活伤害感知信号；同等光强下 530 nm 可见光未达到阈值，印证短波长光线光损伤风险更高的生物规律。

器件分别在（a）365 nm和（b）530 nm处的脉冲强度依赖性光电流，显示了器件的阈值特性

利用高功率光脉冲预照射模拟器件“损伤状态”，可逼真模拟痛觉过敏与异常性疼痛：无损伤时弱光刺激响应微弱；轻度损伤后，原本无危害的弱刺激即可引发明显响应，对应痛觉过敏；重度损伤后，普通无害低强度光刺激也能触发强电流响应，实现异常性疼痛仿生，且损伤程度越高敏感化效果越突出。同时器件的光致损伤状态具备可逆性，撤去光照后陷阱载流子逐步释放，器件可恢复初始性能，支持重复使用与自适应调控。

在无损伤和损伤条件下，随着刺激强度的增加，异常性疼痛和痛觉过敏特征的示意图

器件在（a）365 nm和（b）530 nm波长下模拟的波长敏感痛觉过敏和异常性疼痛特征；在（c）365 nm和（d）530 nm波长下模拟的弛豫行为

弛豫测试显示，器件在未完全恢复状态下接受二次光刺激，响应电流会明显增强，且该特性在紫外、可见光波段均可稳定复现。与已报道的电刺激、单波段光刺激伤害感知器件相比，本MoS₂/sr-SiNₓ异质结器件结构简约、支持紫外 - 可见光多波段感知，且完整具备全套仿生伤害感知功能，综合应用优势明显。

本研究通过等离子体增强化学气相沉积制备富硅氮化硅薄膜，借助其内部过量硅原子形成的 Si-Si 键引入高密度深能级陷阱，构建了MoS₂/sr-SiNₓ异质结人工突触器件，在硬件上实现光电传感、信息存储、信号反馈与自适应感知的一体化集成；该器件在365 nm紫外与530 nm可见光波段展现出优异且可调的突触可塑性，配对脉冲易化特征随脉冲间隔呈规律衰减，快慢弛豫时间常数与生物突触特征高度吻合，且可通过调控光脉冲频率与数量实现短时记忆到长时记忆的可控转变；同时器件完整模拟了视觉伤害感知的阈值响应、痛觉过敏、异常性疼痛及弛豫特性，光诱导形成的损伤状态还具备可逆恢复能力，可为高鲁棒、高效率且拥有主动光学防护能力的边缘仿生视觉感知系统开发提供可靠的器件支撑与技术参考。

Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪

flexfilm

Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

Flexfilm费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

原文参考：《具有视觉伤害感知的基于二硫化钼/富硅氮化硅异质结人工突触器件》

*特别声明：本公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，如涉及版权问题，敬请联系，我们将在第一时间核实并处理。