人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)不同亮度水平的適應(yīng)性激發(fā)了光電神經(jīng)形態(tài)設(shè)備的發(fā)展，但要模擬這些功能實(shí)現(xiàn)雙向光響應(yīng)通常需要高工作電壓或高光照強(qiáng)度。

2024年11月30日，香港理工大學(xué)郝建華教授、浙江大學(xué)陳夢(mèng)曉研究員和北京航空航天大學(xué)潘曹峰教授在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Communications發(fā)表題為《Ultraweak light-modulated heterostructure with bidirectional photoresponse for static and dynamic image perception》的研究論文，Xun Han和Juan Tao為論文共同第一作者，郝建華教授、陳夢(mèng)曉研究員和潘曹峰教授為論文共同通訊作者。

郝建華，香港理工大學(xué)材料物理與器件講座教授，納米科技研究中心主任。在華中科技大學(xué)獲得學(xué)士、碩士和博士學(xué)位，2006年加入香港理工大學(xué)任教。他的鐵電發(fā)光研究極具開(kāi)創(chuàng)性，享譽(yù)國(guó)際，他把鐵電調(diào)控概念引入至稀土發(fā)光領(lǐng)域，并開(kāi)創(chuàng)了 “智能發(fā)光材料” 的概念。

郝建華教授的研究范疇包括金屬離子摻雜發(fā)光材料和器件，應(yīng)用于光子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的多功能納米發(fā)光材料，應(yīng)用于電子和光電子學(xué)的功能性薄膜、二維材料和異質(zhì)結(jié)，以及清潔能源和傳感應(yīng)用的智能及可持續(xù)材料。

陳夢(mèng)曉，浙江大學(xué)生儀學(xué)院新百人計(jì)劃研究員。在東北大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心獲博士學(xué)位，隨后在新加坡南洋理工大學(xué)從事博士后研究。

陳夢(mèng)曉研究員主要開(kāi)展柔性電子中超適形傳感相關(guān)研究，包括材料特性研究和器件設(shè)計(jì)制備工作，已實(shí)現(xiàn)ZnO/Ga₂O₃微米線應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)的日盲深紫外光探測(cè)，硅基異質(zhì)結(jié)LED陣列應(yīng)力分布成像，設(shè)計(jì)了三維超適形自供能觸覺(jué)傳感纖維網(wǎng)絡(luò)，成功完成應(yīng)力傳感在半導(dǎo)體和柔性高分子材料基礎(chǔ)上的人機(jī)交互過(guò)程。

潘曹峰，北京航空航天大學(xué)藍(lán)天杰出二級(jí)教授，國(guó)家杰青。2005年在清華大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2010年在清華大學(xué)獲博士學(xué)位，隨后，在美國(guó)佐治亞理工學(xué)院從事博士后研究。

潘曹峰教授圍繞傳統(tǒng)觸覺(jué)傳感器陣列集成度與分辨率低、無(wú)法兼顧高靈敏度與寬線性響應(yīng)、柔性可延展性差等難題，提出通過(guò)調(diào)控低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)-界面-能帶來(lái)探測(cè)應(yīng)力的思路，開(kāi)展觸覺(jué)傳感全鏈條研究，成功構(gòu)筑了人工智能機(jī)器觸覺(jué)，取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展。

在這里，作者提出了一種基于ZnO/CsPbBr₃異質(zhì)結(jié)構(gòu)的雙向神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器陣列（10×10像素），能夠進(jìn)行超弱光刺激。

該設(shè)備通過(guò)ZnO通道中氧空位的電離和去離子表現(xiàn)出正負(fù)光電導(dǎo)性，可擴(kuò)展到其他ZnO/鈣鈦礦和IGZO/鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在2.0 V的低偏壓下工作，其在綠光（525 nm）和紫外光（365 nm）下實(shí)現(xiàn)突觸權(quán)重更新，光強(qiáng)度范圍低至45 nW/cm²至15.69 mW/cm²，模仿了基本突觸功能和視覺(jué)適應(yīng)。

此外，它能夠執(zhí)行多種圖像預(yù)處理任務(wù)，包括背景去噪和時(shí)空運(yùn)動(dòng)編碼，在模式識(shí)別中準(zhǔn)確率達(dá)到92%，在運(yùn)動(dòng)聚類中準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

這種簡(jiǎn)單的策略凸顯了智能視覺(jué)系統(tǒng)能夠在低電壓和黑暗條件下進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理的潛力。

圖1：bidir-ZC神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器陣列的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)

圖2：bidir-ZC神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器陣列的光電導(dǎo)性和突觸行為

圖3：Neg-PC和Pos-PC行為的機(jī)制

圖4：bidir-ZC神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器陣列的成像和視覺(jué)適應(yīng)

圖5：基于Pos-PC和Neg-PC行為的圖像去噪和運(yùn)動(dòng)物體感知

綜上，作者開(kāi)發(fā)了一種基于氧化物半導(dǎo)體和鈣鈦礦形成的異質(zhì)結(jié)的簡(jiǎn)單方法來(lái)實(shí)現(xiàn)具有超弱光調(diào)制雙向光響應(yīng)的陣列設(shè)備。基于ZnO/CsPbBr₃異質(zhì)結(jié)的10×10陣列在紫外光和綠光刺激下表現(xiàn)出光誘導(dǎo)的Neg-PC增強(qiáng)、Neg-PC抑制以及Neg-PC到Pos-PC的轉(zhuǎn)化。

在這種簡(jiǎn)單的兩端器件結(jié)構(gòu)中，45 nW/cm²的超弱光強(qiáng)度和2.0 V的偏置電壓可以觸發(fā)Neg-PC效應(yīng)。通過(guò)結(jié)合Neg-PC和Pos-PC特性，視覺(jué)適應(yīng)在1.42 μW/cm²至1.31 mW/cm²的強(qiáng)度范圍內(nèi)被實(shí)現(xiàn)。

此外，在陣列設(shè)備端進(jìn)行了多種圖像處理過(guò)程，包括靜態(tài)圖像去噪和實(shí)時(shí)去噪動(dòng)態(tài)圖像的運(yùn)動(dòng)感知。

該研究采用結(jié)合降維和基于密度的聚類算法的簡(jiǎn)單無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方向識(shí)別，顯示出高精度運(yùn)動(dòng)聚類和異常運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的能力。

Han, X., Tao, J., Liang, Y. et al. Ultraweak light-modulated heterostructure with bidirectional photoresponse for static and dynamic image perception.?Nat. Commun., (2024).?