無人機(jī)技術(shù)在高效光電子器件中的應(yīng)用

突發(fā)的新冠病毒肺炎疫情讓無人機(jī)擺脫僅供個(gè)人娛樂和植保的”設(shè)定用途”，在此次疫情防控中，無人機(jī)喊話、照明、噴霧消毒等功能得以大展拳腳，人們對(duì)無人機(jī)的功用一致稱好。

但是像“無人機(jī)在沒有向?qū)У那闆r下飛行到偏遠(yuǎn)的山區(qū)，并找到受困的登山者”這樣的情景目前還無法實(shí)現(xiàn)！因?yàn)楫?dāng)下的無人機(jī)無法直接識(shí)別拍攝到的物體，必須和遠(yuǎn)程服務(wù)器合作，無人機(jī)拍攝到的物品后，需要傳到服務(wù)器，然后的等服務(wù)器對(duì)圖片進(jìn)行識(shí)別。

好消息是：近日，美國中佛羅里達(dá)大學(xué)（通常簡稱 UCF）的研究人員開發(fā)了一種模仿用于人類視覺的腦細(xì)胞的裝置，可以同時(shí)模擬眼睛和大腦的功能，很好地彌合了機(jī)器和人思維之間的這段鴻溝，研究結(jié)果登上了《Science》旗下期刊《Science Advances》的封面。

突破性嘗試：石墨烯+PQDs，創(chuàng)造超結(jié)構(gòu)

石墨烯由于其寬的光譜帶寬、優(yōu)異的載流子傳輸特性和非常高的遷移率，以及在環(huán)境條件下的出色穩(wěn)定性和柔韌性，成為電子和光電應(yīng)用的理想材料。然而，單層石墨烯只吸收 2.3%的入射可見光。到目前為止，石墨烯光電探測器的響應(yīng)度限制在 10?2 A W?1 左右。這些限制嚴(yán)重阻礙了石墨烯在光電子器件和光子器件中的應(yīng)用。

有機(jī) - 無機(jī)鹵化物鈣鈦礦量子點(diǎn)（PQDs）由于其在可見光范圍內(nèi)的帶隙可調(diào)諧、高的光致發(fā)光（PL）量子產(chǎn)率、窄的發(fā)射光譜和高的消光系數(shù)而被認(rèn)為是具有吸引力的光電子器件材料。但與石墨烯相比，有機(jī) - 無機(jī)鹵化物鈣鈦礦量子點(diǎn)（PQDs）的電荷傳輸能力較差。

UCF 的研究小組創(chuàng)新地采用兩個(gè)材料相結(jié)合的方式，通過直接在石墨烯單層表面的活性中心上生長 PQD，形成新的超結(jié)構(gòu)——石墨烯 -PQD（G-PQD）超結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)這兩個(gè)部分之間的電荷轉(zhuǎn)移。設(shè)計(jì)這種混合超結(jié)構(gòu)的基本原理來自于 PQDs 吸收光和產(chǎn)生電荷載流子的能力。

這種組合允許光活性粒子捕捉光線，將其轉(zhuǎn)化為電荷，然后將電荷直接轉(zhuǎn)移到石墨烯上，所有這些都只需一步就可以完成。整個(gè)過程發(fā)生在一層非常薄的薄膜上，大約是人類頭發(fā)厚度的萬分之一。

結(jié)果，通過在光電晶體管幾何結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)這種薄超結(jié)構(gòu)，研究小組在 430 nm 處獲得了 1.4×108A W?1 的光響應(yīng)率和 4.72×1015Jones 的比探測率，這是迄今為止報(bào)道的同類器件中最好的響應(yīng)率和探測率，對(duì)開發(fā)用于高速通信、傳感、超靈敏相機(jī)以及高分辨率成像和顯示的高效光電材料很有前途。

此外，研究小組發(fā)現(xiàn)石墨烯 -PQD（G-PQD）超結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為光子突觸，每穗能耗為 36.75pJ，模仿了其生物等效的關(guān)鍵特征，具有獨(dú)特的光學(xué)增強(qiáng)和電習(xí)服功能，讓研究人員能夠構(gòu)建用于神經(jīng)形態(tài)結(jié)構(gòu)的硬件單元以模仿人腦功能，這對(duì)于模式識(shí)別和其相關(guān)應(yīng)用至關(guān)重要。

研究成員談超結(jié)構(gòu) G-PQD 的應(yīng)用

UCF 納米科學(xué)技術(shù)中心和材料科學(xué)與工程系副教授 Jayan Thomas 表示：“這是向開發(fā)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)（可以同時(shí)處理和記憶信息的計(jì)算機(jī)處理器）邁出的一小步，可以減少計(jì)算機(jī)的信息處理時(shí)間以及處理所需的能量。在未來的某個(gè)時(shí)刻，這項(xiàng)發(fā)明可能有助于制造出可以像人類一樣思考的機(jī)器人?！?/p>

UCF 納米科學(xué)技術(shù)中心助理教授 Tania Roy 表示：“這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)潛在用途是用于無人機(jī)輔助救援。早期的研究者們發(fā)明了攝像頭，用于捕捉圖像并將其發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行識(shí)別，但我們團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的這種單一的裝置，可以同時(shí)模擬眼睛和大腦的功能，可以觀察圖像，并當(dāng)場識(shí)別，使無人機(jī)真正具有自主性，因?yàn)樗梢韵袢祟愐粯涌吹??！?/p>

這項(xiàng)研究的第一作者之一 Basudev Pradhan（曾是 Thomas 實(shí)驗(yàn)室的巴斯卡拉高級(jí)太陽能研究員，現(xiàn)為印度賈坎德邦中央大學(xué)能源工程系助理教授）說：“超結(jié)構(gòu)顯示出光輔助記憶效應(yīng)，類似于人類與視覺相關(guān)的腦細(xì)胞。我們開發(fā)的光電突觸與以大腦為靈感的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算高度相關(guān)。這種超結(jié)構(gòu)必將為超薄光電設(shè)備的開發(fā)帶來新的方向。”

這項(xiàng)研究的另一第一作者——Sonali Das（Roy 實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員）說：“這一裝置還有潛在的國防應(yīng)用，可用來輔助士兵在戰(zhàn)場上的視野。此外，該裝置能夠以極低的功耗探測、檢測和重建圖像，從而使其能夠在現(xiàn)場應(yīng)用中進(jìn)行長期部署?！?/p>

面部識(shí)別考驗(yàn)

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算是科學(xué)家的一個(gè)長期目標(biāo)，計(jì)算機(jī)可以同時(shí)處理和存儲(chǔ)信息，就像人的大腦視覺一樣。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)在單獨(dú)的位置存儲(chǔ)和處理信息，這限制了它們的性能。比如無人機(jī)，看的是機(jī)器，識(shí)別的是遠(yuǎn)程的服務(wù)器上工作的人。

為了測試這一超機(jī)構(gòu)裝置通過神經(jīng)形態(tài)計(jì)算看到物體的能力，研究人員用該裝置在面部識(shí)別上進(jìn)行試驗(yàn)。

Thomas 表示：“面部識(shí)別實(shí)驗(yàn)是檢查我們的光電神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的初步測試。由于我們的設(shè)備模仿了與視覺有關(guān)的腦細(xì)胞，因此面部識(shí)別是神經(jīng)形態(tài)構(gòu)建模塊最重要的測試之一?！?/p>

考驗(yàn)通過！研究小組開發(fā)的超結(jié)構(gòu)裝置成功識(shí)別上圖中 4 個(gè)不同人物的畫像。

研究人員表示，他們計(jì)劃繼續(xù)合作以精細(xì)化該裝置，包括使用它來開發(fā)電路級(jí)系統(tǒng)，同時(shí)期待 G-PQD 超結(jié)構(gòu)將為高效光電子器件的發(fā)展提供新的方向。

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