高集成神經(jīng)形態(tài)人工視覺光電傳感器已問世

近期，由中科院金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心孫東明、成會(huì)明課題組與南京理工大學(xué)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(xué)田亞男和南京大學(xué)王肖沐等單位合作，開發(fā)出一種柔性碳納米管-量子點(diǎn)神經(jīng)形態(tài)人工視覺光電傳感器，研究成果以“面向神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)的柔性超靈敏光電傳感陣列”為題于3月19日在《自然·通訊》在線發(fā)表

開發(fā)人工視覺系統(tǒng)，既要重新創(chuàng)建人工系統(tǒng)的靈活性、復(fù)雜性和適應(yīng)性，又要通過高效率計(jì)算和簡(jiǎn)潔的方式來實(shí)現(xiàn)它。目前的人工視覺系統(tǒng)往往采用傳統(tǒng)的互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體（CMOS）或者電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器與執(zhí)行機(jī)器視覺算法的數(shù)字系統(tǒng)相連接來實(shí)現(xiàn)，這些傳統(tǒng)的數(shù)字人工視覺系統(tǒng)具有功耗高、尺寸大、成本高等缺點(diǎn)。

科研人員設(shè)計(jì)并制備了一個(gè)1024像素的柔性神經(jīng)形態(tài)光電傳感器陣列，其中銫鉛溴鈣鈦礦量子點(diǎn)作為感光層和光生電荷俘獲層，半導(dǎo)體性碳納米管薄膜作為電荷傳輸層，二者復(fù)合具有良好的柔性，能夠均勻的大面積成膜，并能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性。同時(shí)，該光電傳感器陣列集成了光傳感、信息存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)預(yù)處理等功能，這與生物系統(tǒng)行為類似，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)并行處理信息，這對(duì)于模仿生物視覺處理的人工視覺系統(tǒng)具有重要的啟發(fā)意義。此外，研究還首次實(shí)現(xiàn)了在極暗條件下響應(yīng)（超弱光脈沖1 μW/cm2），并完成神經(jīng)形態(tài)強(qiáng)化學(xué)習(xí)的案例。

基于此神經(jīng)形態(tài)光電傳感器，下一步科研人員希望通過電路設(shè)計(jì)，構(gòu)建功能更強(qiáng)大的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模擬大腦對(duì)信息的處理過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)已知數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和特征進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而獲得對(duì)未知數(shù)據(jù)更加強(qiáng)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(shè)計(jì)與性能。

半導(dǎo)體性碳納米管和無機(jī)鈣鈦礦量子的復(fù)合薄膜構(gòu)成器件的溝道材料。其中，量子點(diǎn)作為感光層和光生電荷俘獲層，高純度半導(dǎo)體性碳納米管薄膜作為載流子傳輸層。a. 結(jié)構(gòu)示意圖；b. 柔性人工視覺光電傳感器外觀圖（標(biāo)尺，5 mm）；c. 不同光強(qiáng)下的器件轉(zhuǎn)移特性曲線；d. 暗態(tài)（上圖）與光照（下圖）條件下的作用機(jī)制。

圖2. 光電響應(yīng)與神經(jīng)突觸特性。

a. 響應(yīng)度、外量子效率與激光功率密度關(guān)系，其中響應(yīng)度高達(dá)5.1×107 A/W； b. 探測(cè)度與激光功率密度關(guān)系，其中探測(cè)度高達(dá)2×1016 Jones；c. 基于不同類別材料的器件響應(yīng)度-探測(cè)度綜合性能對(duì)比；d. 光學(xué)和電學(xué)激勵(lì)下的器件開關(guān)響應(yīng)特性，其中信噪比大于>105；e. 人工神經(jīng)突觸的雙脈沖易化（PPF）性能；f. 人工神經(jīng)突觸的長(zhǎng)程增強(qiáng)現(xiàn)象。

圖3. 碳納米管-量子點(diǎn)神經(jīng)形態(tài)人工視覺光電傳感器。

a. 人工視覺光電傳感器外觀圖（標(biāo)尺，5 mm）；b. 1024像素傳感器陣列光學(xué)照片（標(biāo)尺，0.5 mm）；c. 單元像素的光學(xué)照片（標(biāo)尺，20μm）； d.人類視覺皮層針對(duì)不同人臉形成的差異性印象的示意圖；e.初始狀態(tài)以及在10、20、50、100和200個(gè)光脈沖訓(xùn)練后數(shù)字“8”突觸權(quán)重結(jié)果。

其中，激光波長(zhǎng)405 nm，激光功率密度 1 μW/cm2，光脈沖寬度250 ms，脈沖間隔250 ms；f.初始狀態(tài)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(xùn)練10個(gè)光脈沖后數(shù)字“8”的突觸權(quán)重結(jié)果。其中，激光波長(zhǎng)405 nm，光脈沖寬度250 ms，脈沖間隔250 ms；g.人類面部（論文第一作者）的識(shí)別訓(xùn)練過程模擬。

編輯：jq