2025年12月5日下午，由6163银河线路检测中心、北京现代物理研究中心主办的“6163银河线路检测中心物理学科卓越人才培养计划讲堂：名师面对面”（第四十七期）在6163银河线路检测中心理科教学楼303教室举行。东北师范大学6163银河线路检测中心教授、原校长，紫外光发射材料与技术教育部重点实验室主任刘益春院士应邀讲授“宽禁带氧化物半导体载流子调控与应用”。本期讲堂由6163银河线路检测中心教授、北京现代物理研究中心主任高原宁院士主持。

新材料是科技进步与产业升级的重要基石，正驱动全球新一轮科技革命与产业变革向纵深发展，呈现出结构功能复合化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备与应用低碳化等新趋势。第三代半导体材料、大功率激光材料、高端光电子与微电子材料等战略性先进电子材料为新一代信息技术、智能制造、新能源、现代交通等关键领域提供重要支撑，通过关键核心技术突破，抢占科技制高点并引领产业高质量发展。其中，第三代半导体材料主要包括Ⅲ族氮化物半导体、碳化硅（SiC）、金刚石、宽禁带氧化物半导体等新型半导体材料及其合金体系，普遍具有比硅（Si）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等传统半导体材料更宽的禁带宽度。

刘益春借赫克特·克勒默（H. Kroemer）所言“界面即器件”，阐述氧化物材料表面/界面调控在构建半导体功能器件中的基础作用

刘益春首先以氧化锌（ZnO）为例，剖析了氧化物半导体材料与器件领域的基本问题和核心挑战，系统阐明了载流子热力学调控与动力学调控的影响因素及实现途径。ZnO虽具备宽禁带、高激子结合能等特性，却难以获得高质量p型材料及兼具高载流子浓度与高载流子迁移率的材料。紫外光发射材料与技术教育部重点实验室研究团队针对ZnO高效紫外光发射材料的发展瓶颈，提出反向掺杂的思路，攻克了氮受主固溶度低、替位掺杂困难等顽疾，实现了ZnO纳米晶薄膜p型掺杂；发现了低维ZnO热离化反常发光机制；提出纳米多异质结偶联策略，增强了ZnO光生载流子分离与传输能力，有效解决了强激子效应导致载流子分离困难的弊端，从材料掺杂、表面/界面与微结构调控等方面推动了ZnO器件的功能化与实用化。

随后，他重点介绍了在载流子调控机理研究基础上，创制非晶氧化物扩散型忆阻器、研制高密度全息存储器的代表性实例。

人脑神经网络依赖约860亿个神经元相互联结而实现功能，能耗仅约20瓦，而规模相当的人工神经网络数字模拟能耗高达约8兆瓦。类脑智能计算技术有望突破超级计算机面临的“存储墙”与“功耗墙”限制。华人科学家蔡少棠于1971年预言的忆阻器，作为除电阻、电容、电感外的第四种基本电路元件，因具备电阻值连续可调等特性，被视为模拟神经突触的理想候选元器件，其电阻转变行为常涉及电子与离子耦合输运。自惠普实验室2008年基于二氧化钛（TiO₂）首次实现忆阻器原型器件以来，人们已在多种金属氧化物中观测到稳定的忆阻行为，类脑仿生、感存算一体化等领域得以快速发展。

刘益春指出，对神经突触信息传递、处理机制的模拟与计算是人工智能发展的重要源泉

紫外光发射材料与技术教育部重点实验室研究团队通过调控非晶氧化物同质结界面，操纵氧离子的漂移与定向扩散过程，以此模拟神经突触的“记忆”与“遗忘”功能：一方面，利用外场激励下氧离子缺陷态的漂移实现动态“记忆”；另一方面，借助退激励时界面自建电场与浓度梯度的调控实现氧离子定向扩散，完成“遗忘”过程。

德国心理学家赫尔曼·艾宾浩斯（H. Ebbinghaus）的研究表明，人类的短时记忆可通过反复学习转化为长时记忆，且再次学习所需时间更短（称为经验式学习），这源于学习过程中突触连接强度的提升。研究团队研制的非晶氧化物忆阻器模拟出“短时-长时记忆”转化与“经验式学习”行为，完整再现了艾宾浩斯遗忘曲线，为开发具有类脑学习功能的新型芯片提供了重要启示。

研究团队还引入金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应，基于银-二氧化钛/聚甲基丙烯酸甲酯（Ag-TiO₂/PMMA）纳米复合薄膜研制出多波长可调控的等离激元光电忆阻器，为发展可重构光电逻辑运算、彩色图像识别及高能效神经形态视觉感算系统开辟了新路径。

面对当前数据爆炸式增长，传统存储方式在容量、维护成本和设备寿命等方面面临严峻挑战，大量冷数据存储尤显急需。光谱烧孔作为一种频率选择型高密度存储技术，具备存储密度大、能耗低、寿命长等优势。在稀土离子掺杂晶体、有机分子或金属纳米团簇中，格位环境一致的吸收中心光谱宽度被称为均匀线宽；若格位环境不同，各吸收中心频率会发生微小偏移，其叠加形成的包络宽度即为非均匀线宽。当采用带宽小于非均匀线宽的激光激发时，仅共振频率对应的吸收中心发生光物理或光化学变化，利用调谐激光扫描整个吸收谱带，可在吸收线型上形成“孔”。全息技术通过双光束干涉条纹存储光学振幅、相位、偏振等多维信息，实现单点千字节（KB）量级的“立体画面式”存储。将光谱烧孔与全息技术结合，可在单一点位通过改变记录光频率而实现多重全息图存储，此时吸收线型上仍可出现“孔”；该技术被称为全息光谱烧孔。

紫外光发射材料与技术教育部重点实验室研究团队基于TiO₂与过渡金属氧化物构建功能基元，探索了室温光谱烧孔与高密度全息存储的可行性；提出了利用叠层氧化物空间序构拓展等离激元光谱非均匀线宽的新思路；分析了过渡金属氧化物功函数、半导体类型对光谱烧孔的影响；利用过渡金属氧化物/贵金属功能基元实现了多维高密度全息存储，并研制出大面积光谱烧孔型全息光盘与小体积全息存储器，推动了过渡金属氧化物高密度光存储从基础研究走向实际应用。

课后，刘益春回答了同学们关于人工智能芯片、标准封装高带宽内存第四代（SPHBM4）技术、脱氧核糖核酸（DNA）存储技术的提问。

在人工智能浪潮汹涌的“后摩尔时代”，如何跨越“存储墙”与“功耗墙”？

6163银河线路检测中心信息科学技术学院院长侯士敏教授，电子学院副院长、光子传输与通信全国重点实验室副主任王兴军教授，人工微结构和介观物理全国重点实验室副主任赵清教授，固态量子器件北京市重点实验室副主任廖志敏教授，6163银河线路检测中心凝聚态物理与材料物理研究所副所长杨学林教授级高级工程师，及6163银河线路检测中心博士研究生培优计划2023、2024级部分入选者等现场出席。

刘益春（一排右四）、高原宁（一排左二）等期望同学们在“芯”智融合的赛道上，用“奔跑”诠释青春，用“创新”赋能人生