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

視覺系統(tǒng)對(duì)生物體的生存和競爭必不可少。在視覺信息處理過程中，在大腦視覺中樞做出復(fù)雜行為判斷前，視網(wǎng)膜在對(duì)光刺激信號(hào)進(jìn)行檢測的同時(shí)，并行處理所捕獲的圖像信息。開發(fā)人工視覺系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是雙重的，既要重新創(chuàng)建動(dòng)物視覺系統(tǒng)的靈活性、復(fù)雜性和適應(yīng)性，又要通過高效率計(jì)算和簡潔的方式來實(shí)現(xiàn)它。

目前，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)。相比而言，人類視覺系統(tǒng)擁有很多帶有突觸的視神經(jīng)元，能夠探測圖像信息，并可以存儲(chǔ)信息和處理數(shù)據(jù)，因而能平行地處理大量的信息，而每個(gè)突觸活動(dòng)所耗費(fèi)的能量僅為1-100飛焦耳。

因此，將圖像感測、存儲(chǔ)和處理功能集成到器件的單一空間，并針對(duì)連續(xù)模擬亮度信號(hào)實(shí)時(shí)處理不同類型的時(shí)空計(jì)算，對(duì)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)人工視覺系統(tǒng)意義重大。具有神經(jīng)形態(tài)的光電傳感器通過模擬電子電路，實(shí)現(xiàn)由生物系統(tǒng)啟發(fā)的特殊視覺處理功能，這些電路適合于嘗試模仿生物視覺系統(tǒng)的構(gòu)建。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國科學(xué)院金屬研究所與國內(nèi)多家單位的科研團(tuán)隊(duì)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。3月19日，相關(guān)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》（A flexible ultrasensitive optoelectronic sensor array for neuromorphic vision systems）為題，在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

為了構(gòu)筑高性能的神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)，必須首先獲得具有超高響應(yīng)度、探測性和信噪比的光電傳感器。為了在極端昏暗的光線條件下實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的成像能力，科研人員設(shè)計(jì)并制備了一個(gè)1024像素的柔性光電傳感器陣列，使用半導(dǎo)體性碳納米管和鈣鈦礦量子點(diǎn)的組合作為神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)的有源敏感材料，集成了光傳感、信息存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)預(yù)處理等功能，實(shí)現(xiàn)了視覺圖像強(qiáng)化學(xué)習(xí)過程。這兩類材料均具有優(yōu)異的柔韌性、穩(wěn)定性及工藝兼容等特點(diǎn)，通過材料組合為實(shí)現(xiàn)兼具生物體靈活性、復(fù)雜性和適應(yīng)性的神經(jīng)形態(tài)人工視覺傳感器提供了新策略。這是第一次通過高集成度物理器件陣列方式，實(shí)現(xiàn)超弱光脈沖（1 μW/cm2）響應(yīng)，并完成神經(jīng)形態(tài)強(qiáng)化學(xué)習(xí)的案例。與生物系統(tǒng)行為類似，光電傳感器、存儲(chǔ)元件和數(shù)據(jù)分析處理等組件在陣列中共享物理空間，并實(shí)時(shí)并行處理信息，這些結(jié)果對(duì)于試圖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。

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、柔性人工視覺芯片外觀圖（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)5.1×10? A/W； b、探測度與激光功率密度關(guān)系，其中探測度高達(dá)2×101? Jones；c、基于不同類別材料的器件響應(yīng)度-探測度綜合性能對(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>10?；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、人工視覺芯片外觀圖（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，20 μm）； 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405nm，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405 nm，光脈沖寬度250 ms，脈沖間隔250ms；g. 人類面部（論文第一作者）的識(shí)別訓(xùn)練過程模擬

該研究由金屬所孫東明、成會(huì)明課題組與南京理工大學(xué)李曉明、曾海波課題組，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)王肖沐等合作完成。金屬所博士研究生朱錢兵、李波為論文的共同第一作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和沈陽材料科學(xué)國家研究中心等的支持。

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