高集成神經形態人工視覺光電傳感器問世

近期，由中科院金屬所瀋陽材料科學國家研究中心孫東明、成會明課題組與南京理工大學李曉明、曾海波課題組，中科院蘇州納米所邱松、李清文課題組，東北大學田亞男和南京大學王肖沐等單位合作，開發出一種柔性碳納米管-量子點神經形態人工視覺光電傳感器，研究成果以“面向神經形態視覺系統的柔性超靈敏光電傳感陣列”為題於3月19日在《自然·通訊》在線發表

開發人工視覺系統，既要重新創建人工系統的靈活性、複雜性和適應性，又要通過高效率計算和簡潔的方式來實現它。目前的人工視覺系統往往採用傳統的互補金屬氧化半導體（CMOS）或者電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器與執行機器視覺算法的數字系統相連接來實現，這些傳統的數字人工視覺系統具有功耗高、尺寸大、成本高等缺點。

科研人員設計並製備了一個1024像素的柔性神經形態光電傳感器陣列，其中銫鉛溴鈣鈦礦量子點作為感光層和光生電荷俘獲層，半導體性碳納米管薄膜作為電荷傳輸層，二者複合具有良好的柔性，能夠均勻的大面積成膜，並能夠保持長期穩定性。同時，該光電傳感器陣列集成了光傳感、信息存儲和數據預處理等功能，這與生物系統行為類似，實現實時並行處理信息，這對於模仿生物視覺處理的人工視覺系統具有重要的啓發意義。此外，研究還首次實現了在極暗條件下響應（超弱光脈衝1 μW/cm2），並完成神經形態強化學習的案例。

基於此神經形態光電傳感器，下一步科研人員希望通過電路設計，構建功能更強大的人工神經網絡，模擬大腦對信息的處理過程，實現對已知數據之間的關聯和特徵進行學習，從而獲得對未知數據更加強大的處理能力。

全文鏈接：http://DOI:10.1038/s41467-021-22047-w

圖1. 單元器件設計與性能。半導體性碳納米管和無機鈣鈦礦量子的複合薄膜構成器件的溝道材料。其中，量子點作為感光層和光生電荷俘獲層，高純度半導體性碳納米管薄膜作為載流子傳輸層。a. 結構示意圖；b. 柔性人工視覺光電傳感器外觀圖（標尺，5 mm）；c. 不同光強下的器件轉移特性曲線；d. 暗態（上圖）與光照（下圖）條件下的作用機制。

圖2. 光電響應與神經突觸特性。a. 響應度、外量子效率與激光功率密度關係，其中響應度高達5.1×107 A/W； b. 探測度與激光功率密度關係，其中探測度高達2×1016 Jones；c. 基於不同類別材料的器件響應度-探測度綜合性能對比；d. 光學和電學激勵下的器件開關響應特性，其中信噪比大於>105；e. 人工神經突觸的雙脈衝易化（PPF）性能；f. 人工神經突觸的長程增強現象。

圖3. 碳納米管-量子點神經形態人工視覺光電傳感器。a. 人工視覺光電傳感器外觀圖（標尺，5 mm）；b. 1024像素傳感器陣列光學照片（標尺，0.5 mm）；c. 單元像素的光學照片（標尺，20μm）； d.人類視覺皮層針對不同人臉形成的差異性印象的示意圖；e.初始狀態以及在10、20、50、100和200個光脈衝訓練後數字“8”突觸權重結果。其中，激光波長405 nm，激光功率密度 1 μW/cm2，光脈衝寬度250 ms，脈衝間隔250 ms；f.初始狀態以及在4.0 μW/cm2, 0.3 mW/cm2, 1.0 mW/cm2, 2.5 mW/cm2和 4.0 mW/cm2功率密度下訓練10個光脈衝後數字“8”的突觸權重結果。其中，激光波長405 nm，光脈衝寬度250 ms，脈衝間隔250 ms；g.人類面部（論文第一作者）的識別訓練過程模擬。

（中國日報遼寧記者站）