受四色視覺(jué)啟發(fā)的超弱紫外光探測(cè)神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)傳感器

傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)包括圖像傳感單元和圖像處理單元，二者在物理空間上分離，圖像信息在其間的傳輸產(chǎn)成了延時(shí)與能耗。受人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)傳感器（NeuVS）可以通過(guò)在單一器件中集成光傳感和人工突觸功能，以模擬視覺(jué)感知系統(tǒng)的傳感器內(nèi)計(jì)算操作（圖1a），感存算一體化的實(shí)現(xiàn)，可以提高機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)信息處理的效率，并降低功耗，具有優(yōu)異的應(yīng)用前景。人類(lèi)視網(wǎng)膜包含三種視錐細(xì)胞以感知可見(jiàn)光，形成紅綠藍(lán)（RGB）三色視覺(jué)。紫外線輻射作為太陽(yáng)輻射中人眼不可見(jiàn)部分，在殺菌、鑒定、透視和醫(yī)療健康等方面發(fā)揮著重要作用，另一方面，長(zhǎng)時(shí)間的紫外光暴露，會(huì)對(duì)人眼、皮膚等產(chǎn)生危害。在實(shí)際的紫外預(yù)警探測(cè)中，紫外信號(hào)通常較弱，導(dǎo)致檢測(cè)困難，并且其他波長(zhǎng)的光（如RGB）的存在也會(huì)干擾檢測(cè)。因此，探索能感知超弱紫外光的神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外線輻射的預(yù)警具有重要意義。

圖1 (a）由傳感單元、記憶單元和處理單元組成的人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)。（b）有機(jī)神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)傳感器示意圖。（c）BTBTT6-syn的紫外-可見(jiàn)吸收光譜和化學(xué)結(jié)構(gòu)。（d）文中OPTs的檢測(cè)極限與之前報(bào)道的紫外光晶體管比較。

針對(duì)以上問(wèn)題，天津大學(xué)紀(jì)德洋教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合南京郵電大學(xué)凌海峰教授團(tuán)隊(duì)和長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的田洪坤研究員團(tuán)隊(duì)，以有機(jī)光電晶體管（OPTs）為基本工作單元（圖1b和1c），受昆蟲(chóng)眼睛四色視覺(jué)系統(tǒng)的啟發(fā)，利用OPTs超靈敏的紫外光響應(yīng)特性及存儲(chǔ)性能，在OPTs中，實(shí)現(xiàn)了集成光響應(yīng)、預(yù)處理和存儲(chǔ)過(guò)程的NeuVS，并展示了其在靜態(tài)圖像和動(dòng)態(tài)視頻識(shí)別中的應(yīng)用。

該工作中，利用BTBTT6-syn的密排雙層結(jié)構(gòu)、強(qiáng)的分子間相互作用以及BTBTT6?syn/SiO2界面羥基俘獲電子的特點(diǎn)，OPTs器件可響應(yīng)31 nw/cm2的超弱紫外光，是目前所報(bào)道的有機(jī)紫外光晶體管的最低檢測(cè)值（圖1d）。利用界面工程，選擇不同的聚合物介電層，調(diào)節(jié)器件中的界面缺陷。激子結(jié)合能和載流子遷移率的協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)了具有緩沖層的器件在高光強(qiáng)條件下的光靈敏度（圖2a）。所有器件的光響應(yīng)性能包括光靈敏度（P）接近10?，光響應(yīng)度（R）高達(dá)10? A/W，比探測(cè)率（D*）超過(guò)101? Jones，呈現(xiàn)出超強(qiáng)的光電探測(cè)能力。

圖2 （a）不同界面器件的光靈敏度隨光密度的變化。（b）31 nw/cm2紫外光刺激下，裸SiO2器件的EPSC。（c）不同電流水平下，裸SiO2器件的維持性能。（d）不同波長(zhǎng)光刺激下，裸SiO2器件的EPSC。（e）有/無(wú)神經(jīng)形態(tài)預(yù)處理下，模式識(shí)別的精度。（f）具有不同緩沖層器件的模式識(shí)別精度。

得益于SiO2表面羥基俘獲電子的特點(diǎn)，裸SiO2器件對(duì)于31 nw/cm2的超弱紫外光具有顯著的光響應(yīng)特性，呈現(xiàn)出明顯可分離的電導(dǎo)態(tài)及長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)功能，最佳維持時(shí)間可達(dá)20,000秒以上（圖2b和2c）。由于BTBTT6-syn對(duì)紫外光獨(dú)特的靈敏性，器件具有較高的紫外光選擇性響應(yīng)特性，而對(duì)RGB光的響應(yīng)很弱（圖2d），利用這一特點(diǎn)，以O(shè)PTs器件陣列構(gòu)建的NeuVS，可以有效過(guò)濾環(huán)境中的RGB噪聲，實(shí)現(xiàn)高效的信息預(yù)處理功能，對(duì)于手寫(xiě)數(shù)字的識(shí)別率可從降噪前的46%提高到86%，通過(guò)界面工程調(diào)控，識(shí)別率進(jìn)一步提升到90%（圖2e和2f）。最后，文中還展示了NeuVS在動(dòng)態(tài)視頻識(shí)別中的應(yīng)用（圖3）。這項(xiàng)工作為構(gòu)建紫外超靈敏智能傳感和人工視覺(jué)系統(tǒng)提供了一種有效的策略。

圖3 使用基于BTBTT6-syn的突觸OPTs陣列進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的示意圖

相關(guān)研究論文以“Tetrachromatic vision-inspired neuromorphic sensors with ultraweak ultraviolet detection”為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，論文第一作者為天津大學(xué)分子聚集態(tài)科學(xué)研究院碩士研究生蔣婷和南京郵電大學(xué)博士后王一如，共同通訊作者為紀(jì)德洋教授、凌海峰教授和田洪坤研究員。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-37973-0

審核編輯 ：李倩