破解光的高维密码 二维材料重构下一代集成传感新范式

近日，由中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究团队牵头，联合美国圣路易斯华盛顿大学、香港理工大学科研人员组成的国际联合团队，在二维材料集成传感领域达成关键性突破。团队通过系统梳理二维材料在多维光电传感中的前沿应用，深入剖析其核心技术优势，并构建起面向光学信息处理的集成传感新范式，相关综述成果正式刊发于《自然·材料》（Nature Materials），为全 球集成传感技术的升级迭代提供了重要指引。

随着人工智能、物联网等技术的快速迭代，海量图像数据的实时处理需求日益迫切，这也对光电传感系统的功耗控制、响应速度提出了更高要求。在电学领域，忆阻器支撑的“存算一体”架构，通过实现乘累加（MAC）运算的原位完成，有效减少了数据搬运过程中的损耗，成为解决效率瓶颈的关键路径。但光信号本身蕴含光谱、偏振、相位等丰富的高维信息，如何将电学领域的成熟范式有效适配到光电传感场景，长期以来一直是行业内的技术难题。

针对这一痛点，联合研究团队提出了颠覆性观点：光电领域的MAC范式并非简单的跨领域迁移，而是一场全方位的“范式跃迁”。不同于电学系统的单一维度处理，光电传感的范式跃迁核心的在于，实现光信号高维信息的原位解析与智能处理——对于时空维度信息，可通过探测器内可重构光响应的实现，完成本地智能传感；而面对光谱、偏振等高维复杂信息，则需在传统MAC架构基础上实现升维突破，借助重构式计算或神经网络技术完成信息解耦。

二维材料凭借其独特的物理特性，成为支撑这场范式跃迁的核心载体，其三大核心优势为技术落地提供了坚实保障。首先，二维材料对於局域电场具有极高的敏感性，可通过精准调控电子结构，实现高维光信息的高效编码；其次，其原子级的可修饰特性，能够根据计算模型的需求，精准调整自身能带结构与响应特性，实现完美适配；最后，其低温制备的特性，与单片三维集成（M3D）架构天然兼容，为高密度、低功耗集成器件的研发扫清了障碍。

为推动高维信息在器件层面的物理实现，团队重点从光谱与时间两大维度，梳理了二维材料的传感机制与应用路径。在光谱维度，科研人员通过斯塔克效应、电化学调控、能带工程及激子效应等多种技术手段，可对二维材料的能带结构进行精准调制，使单个探测像素具备光谱编码能力，升级为微型计算节点，彻底改变了传统探测器单一响应的局限。在时间维度，借助缺陷态、浮栅、铁电极化及相变等机制，器件被赋予“光驱动记忆”功能，能够在接收光信号的同时，完成信号存储与时序累积，成功实现了从瞬时响应向时序传感的跨越，为运动目标检测、动态场景分析等场景提供了硬件支撑。

展望未来，集成传感技术将迎来根本性变革，逐步摆脱单一物理维度的被动响应模式，转向光谱、时间、空间、偏振等多通道信息的原位协同编码，实现复杂场景关键特征的高效提取。依托二维材料的范德华集成优势，科研团队有望构建起单片三维集成架构，实现多通道信息的并行获取、原位处理与高效融合，从根本上突破传统分立系统在数据传输效率与能效方面的瓶颈。

此次国际联合团队的研究成果，不仅明确了二维材料在集成传感领域的应用价值，更推动智能传感系统向微型化、低功耗、高集成度方向加速发展。未来，该技术将广泛应用于仿生视觉、车载感知、医疗检测、航空航天等关键领域，以材料创新驱动仪器设备产业的技术革新，助力我国在高维集成传感领域抢占国际领先地位。