在当前智能感知领域，发展面向机器视觉的类脑与神经形态硬件已成为核心趋势。光电忆阻器因具有“感、存、算一体”特性，被视为构筑神经形态器件的重要基石。但现有器件高度依赖“光电协同”来诱导突触行为，为摆脱电信号依赖，实现真正意义上的全光操控——即开发宽光谱响应且极性随波长可调的光电忆阻器，是打开全光神经形态系统大门、实现类脑视觉感知的重要挑战。

近日，中国科学院深圳先进院材料所材料人工智能研究中心王佳宏研究员课题组在双极性神经形态器件领域取得新突破，在材料学术期刊Advanced Materials上发表了题为“Spectrally Defined Bipolar Black Phosphorus Memristor Enables All-Optical Boolean Logic and Multispectral Computing”的研究论文。提出用非化学计量氧化铅包覆黑磷，一方面提升器件稳定性，另一方面实现非易失性电阻开关行为和光谱依赖的全光响应性；并进一步利用器件的双极性特点实现了全光布尔逻辑运算与多光谱图像处理。

主要工作亮点如下：

氧化铅原位修饰显著提升黑磷忆阻器稳定性 研究团队通过在黑磷（BP）纳米片表面引入非化学计量比氧化铅（PbO_x）超薄包覆层，实现了对BP表面的原位修饰。该包覆层通过形成P-Pb-O化学键，有效钝化了BP表面的孤对电子，并阻断了空气中O₂和H₂O对BP的侵蚀。所制备的PbO_x-BP忆阻器在暴露于空气中60天后，仍能保持超过10⁵次循环耐久性。

光谱调控的双极性 在不同波长作用下，PbO_x-BP忆阻器中发生不同光-化学机制调控的银导电细丝生长与断裂，从而实现双极性的正/负光电响应。在紫外光（365-405 nm）下通过氧化银丝产生负光电导行为，在可见光（520-785 nm）下通过将银离子还原回金属态表现出正光电导，在红外光（980-1,550 nm）下光热效应熔化银导电丝展现出负光电导行为（图1）。

全光布尔逻辑运算和多光谱遥感图像识别应用 基于这种光调制的双极性阻变可调的能力，基于该忆阻器成功实现了14种不同类型的全光操控布尔逻辑运算。此外，还实现了边缘提取、光谱噪声抑制等图像预计算任务，并构建了全光卷积神经网络，在16种作物类别识别任务中，系统分类准确率最高达到98.6%展示出该器件在多光谱机器视觉与智能识别中的应用前景（图2）。

图1 | (a) 基于非化学剂量比氧化铅包覆黑磷的忆阻器实现覆盖紫外、可见和红外波段的非易失阻变，(b) 不同波长诱发的正负光电响应

图2 | (a) 实现的14种全光布尔逻辑运算操作，(b) 结合人工神经网络的多光谱遥感图像处理和分类识别

王佳宏研究员课题组围绕光电忆阻器等神经形态类脑器件长期布局，本工作是磷化铜纳米带类脑突触（Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (14), 2110900）、二维镉磷硫非易失忆阻器模拟十进制运算（Adv. Funct. Mater. 2023, 33 (9), 2211269）、磷酸化石墨烯易失性/非易失性阻变特性调节和图像识别（Adv. Funct. Mater. 2025, 35 (16), 2416794）、二维钒基异质结忆阻器实现近红外下复杂场景下的目标检测与识别（Adv. Mater. 2026, 38 (10), e12238）之后的又一突破。

中国科学院深圳先进技术研究院王佳宏研究员、喻学锋研究员，东莞理工学院叶葱教授为本文通讯作者，先进院联培博士柯善武、博士后李阳和渠源多为本文共同第一作者。研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省杰出青年项目、广东省重点实验室等项目支持。