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能够在低温下工作的非易失性存储技术，对于推进经典低温计算和量子—经典混合系统都至关重要。相变、铁电和磁性存储器虽然能在低温保持存储状态，但普遍对光输入不敏感，其开关逻辑的原位可调性也十分有限。缺陷介导的阻变材料本身对电场和光激发都敏感，为突破这些限制提供了可能途径：光激发可以使深能级缺陷带电，在光照终止后仍留下持续的缺陷电荷态与电导变化，即
持续光电导；这些被光激活的缺陷还可在电场作用下发生迁移与重组。然而，在缺陷动力学通常被冻结的低温环境下，利用这种电—光双重响应实现确定性的数字化存储，此前一直未能实现。
层状 α-In₂Se₃ 兼具可见光范围的带隙、可电学翻转的铁电极化，以及包含深、浅能级的高密度本征缺陷，是实现上述光电耦合调控的理想材料平台。在室温下，人们已利用这些特性开展了光探测、铁电调制和阻变开关研究，但其在低温条件下的行为此前几乎未被探索。
成果简介
近日，南京大学费再瑶教授、施毅教授、王欣然教授等在 Nature Communications 上报道了基于 α-In₂Se₃ 的低温光存储器，发现了一种光激活的数字化阻变开关效应。研究表明，在 α-In₂Se₃ 横向薄膜器件中，光与偏压在低温下存在显著的协同作用，表现为一种暗态中不存在、经光激活后长时间存续的数字化阻变开关行为。
在 2 K 下，一次光脉冲照射后，器件在正向扫描至约 5 V 处电流突然增大超过三个数量级（跳变斜率大于 3 dec/mV），由高阻态切换到低阻态；施加负偏压则可将器件复位回高阻态。该光激活开关行为可持续数小时，最长测试达 12 小时。置位过程的阈值电压可由复位脉冲的幅度与时长、额外的光脉冲以及静电栅连续调控，其中栅调控为易失性，与偏压脉冲调控本质不同。作为非易失存储，器件在保持 10000 s、循环 100 次后，高低阻态电流比仍高达 10³；在 18 V 脉冲下可于 500 ns 内完成切换，是目前低温忆阻器中报道的最快开关速度之一。
结合扫描透射电子显微镜与密度泛函理论，作者提出该效应源于带电硒空位（迁移势垒约 0.76 eV）在光激活与接触附近强局域电场驱动下的迁移，从而在电极附近形成并断裂导电通道。波长依赖实验（白光、633 nm、1050 nm 光可激活，而 1200 nm 光不能激活）进一步表明，该开关行为与价带附近的缺陷态密切相关。
同一缺陷迁移机制还统一解释了器件其他多项功能：低温下光电流增强约 650 倍，光响应度提升至约 110000 A/W，比探测率约 1.8×10¹⁶ Jones；持续光电导可由大负偏压电学复位；器件还展现出双脉冲易化、脉冲数依赖可塑性等突触行为。基于所获得的多级电导态构建三层人工神经网络，对手写数字数据集的识别准确率达到 91%。
图注说明
图1 暗态下 α-In₂Se₃ 的铁电性与电学测量。（A）2H 堆垛 α-In₂Se₃ 铁电翻转前后的原子结构与极化方向示意。（B）器件在 300 K 与 2 K 下的电流-电压特性，插图为器件 D1 光学照片，标尺 5 μm。（C）面外压电响应，相位在 ±5 V 处翻转 180°。（D）线性电导随温度的变化，插图为激活能拟合，激活能约 130 meV。
图2 2 K 下光激活的持久数字化阻变开关。（A）光脉冲照射后不同延迟时间的电流-电压扫描，数字化开关行为可持续数小时。（B）单次光照后的连续多次扫描，开关特征稳定保持超过 10 个循环。（C）施加不同幅度复位脉冲后的曲线，阈值电压随复位幅度增大而升高。（E）有无二次光脉冲的对比，在负偏压下施加二次光照可抑制置位过程。
图3 光激活阻变开关的栅压调控、温度依赖与微观机制。（A）背栅器件的栅压依赖，插图为阈值电压随栅压的变化。（B）不同温度下的开关行为，插图为低阻态电阻的温度依赖。（C–G）硒空位在光激活与电场驱动下迁移、形成并断裂导电通道的微观过程示意。
图4 低温下 α-In₂Se₃ 的光响应与突触行为。（A）不同条件下的半对数电流-电压特性。（B）2 K 瞬态光响应，关光后呈现持续光电导。（D）交替光/电刺激下的响应，负偏压脉冲可快速复位持续电流。（E）双脉冲易化效应。（F）脉冲数依赖可塑性，展示短时记忆向长时记忆的转变。
总结展望
该工作报道了 α-In₂Se₃ 中一种可在低温下长时间保持的光激活数字化阻变开关，并将其归因于硒空位在光激活与电场驱动下的迁移在接触界面附近形成导电通道。该过程可由光脉冲、复位电压脉冲和静电栅动态调控，从而实现具有长保持、高耐久和电学可调阈值的光寻址低温数字存储；同一物理机制还带来了显著增强的光响应、可控的持续光电导与突触功能。
这些结果凸显了 α-In₂Se₃ 在多功能低温光电子学中的潜力——存储、传感与信号处理有望集成于同一低温平台之中。与此同时，现有证据尚不能排除铁电切换的贡献，缺陷动力学与铁电极化之间的相互作用仍是值得进一步深入研究的开放问题。
文献链接
https://doi.org/10.1038/s41467-026-76121-2
