破解光的“高维密码”：二维材料开辟集成传感新范式

2026/4/13 10:07:30 10819: 来源：中国科学院上海技术物理研究所

摘要：借助二维材料垂直方向的范德华集成优势，有望构建单片三维集成架构，实现多通道信息并行获取、原位处理与高效融合，突破传统分立系统在数据与能效上的瓶颈，真正由“低维材料物性”重塑“高维集成传感”。

　　【仪表网研发快讯】近日，中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术全国重点实验室胡伟达研究团队，联合美国圣路易斯华盛顿大学及香港理工大学，在二维材料集成传感领域取得重要进展。团队系统综述了二维材料在多维光电传感中的最新进展，解析了其在多通道编码、原子级调控及堆叠工艺中的独特优势，并提出了面向光学信息的集成传感范式跃迁框架。相关综述发表于《自然·材料》(Nature Materials)。

　　人工智能对海量图像的实时处理需求，给系统功耗和延时带来极大负担。电学领域通过忆阻器实现“存算一体”(乘累加MAC范式)，减少数据搬运。然而，光信号天然携带光谱、偏振、相位等高维信息，直接将电学范式迁移到光电领域面临巨大挑战。

　　研究团队指出，光电MAC范式不是简单迁移，而是真正的“跃迁”。对于时空信息，在探测器内实现可重构的光响应(忆“光响应”)即可完成本地智能传感；而对于光谱、偏振等高维信息，则需在传统MAC基础上继续升维，通过重构式计算或神经网络解耦解析。二维材料在此新范式中展现出三大优势：对局域电场极度敏感，可调控电子结构实现高维信息编码；具备原子级可修饰性，能精确匹配计算模型；低温制备特性天然适配单片三维集成(M3D)架构。

　　围绕“高维信息如何在器件中物理实现”，团队梳理了光谱与时间维度的感知机制。在光谱维度，通过Stark效应、电化学调控、能带工程及激子效应等，可精确调制二维材料能带，实现可重构光谱响应，使单个像素成为具备光谱编码能力的计算节点。在时间维度，利用缺陷态、浮栅、铁电极化及相变等机制，器件获得“光驱动记忆”能力，可在接收光信号的同时完成存储与时间累积，实现从瞬时响应向时序传感的跨越，支持运动目标检测等动态任务。

　　未来集成传感将不再被动响应单一物理维度，而是通过光谱、时间、空间及偏振等多通道信息原位协同编码，高效提取复杂场景关键特征。借助二维材料垂直方向的范德华集成优势，有望构建单片三维集成架构，实现多通道信息并行获取、原位处理与高效融合，突破传统分立系统在数据与能效上的瓶颈，真正由“低维材料物性”重塑“高维集成传感”。

　　该综述第一作者为实验室博士后许航瑀，研究得到国家重点研发计划、国家基金委创新研究群体及先导专项等资助。