光电神经形态设备：开启低功耗视觉感知新时代

【研究背景】

在现代科技领域，模仿人类视觉系统的光电神经形态设备因其在能量效率和信息处理能力方面的优势而备受关注。人类视觉系统能够在不同亮度水平下适应，这一特性启发了研究者开发新型的光电设备。为了模拟这些功能，实现双向光响应（即正向和负向光导电性）是至关重要的，这通常需要高操作电压或高强度光照以及复杂的电路设计，这便与低功耗和易于集成的初衷相矛盾。

近日，香港理工大学郝建华教授、北京航空航天大学潘曹峰教授、浙江大学陈梦晓研究员联手提出了一种基于ZnO/CsPbBr3异质结构的神经形态图像传感器阵列，能够在超弱光刺激下工作，这为低功耗和暗条件下的智能视觉系统提供了新的可能性。所提出的基于ZnO/CsPbBr3异质结构的神经形态图像传感器阵列能够2.0V的低偏压下工作，并在45nW/cm²至15.69mW/cm²的光强度范围内实现绿光（525nm）和紫外光（365nm）下的突触权重更新。该设备能够模拟基本的突触功能和视觉适应，执行包括背景去噪和编码时空运动信息在内的多种图像预处理任务，实现了92%的模式识别准确率和100%的运动聚类准确率。

【器件制备】

1. 基底清洁与准备： 将大约50mm×50mm的玻璃基底进行彻底清洁，以去除表面的杂

质和残留物。这一步骤包括用丙酮、异丙醇和去离子水依次清洗，然后用氮气吹干，确保基底表面干净无尘，为后续工艺打下良好基础。

2. 底电极的制作： 使用光刻技术在清洁后的基底上定义底电极的图案。使用图案掩膜光刻后，使用溅射设备沉积30纳米厚的金(Au)薄膜，形成底电极。

3. ZnO薄膜的沉积： 通过掩膜光刻技术在交错的电极上定义ZnO薄膜的图案，并通过溅射技术在金电极上沉积ZnO薄膜。ZnO薄膜作为传感器阵列的导电通道，对器件的光电性能至关重要。

4. SiO2覆盖层的沉积： 在ZnO薄膜和金电极之外的整个器件上覆盖一层SiO2薄膜。

5. 表面处理： 将器件浸入十八烷基三氯硅烷（OTS）溶液中15分钟，以改善表面的疏水性，增强器件的稳定性。随后，使用丙酮去除光刻胶，为下一步的CsPbBr3薄膜沉积做好准备。

6. CsPbBr3薄膜的生长： CsPbBr3前驱体溶液以0.4M的浓度在二甲基亚砜（DMSO）中制备。通过在ZnO薄膜上滴加CsPbBr3溶液，并使用真空辅助结晶法形成致密的CsPbBr3薄膜阵列。

7. 器件封装： 最后，通过添加一层薄的封装层来完成器件的制备过程。封装层可以保护器件免受外界环境的影响，提高器件的稳定性和寿命。

【高亮成果】

1．超弱光刺激下的双向光响应： 研究中提出的ZnO/CsPbBr3异质结构神经形态图像传感器阵列能够在极低的光强度下实现负向光导电性（Neg-PC）和正向光导电性（Pos-PC），这是通过调控ZnO通道中氧空位的电离和去电离过程实现的。这种能力意味着设备可以在更低的能耗下工作，同时对环境光变化更加敏感，这对于节能和环境适应性技术来说是一个巨大的进步。

2. 低电压操作： 该设备在仅为2.0V的低偏压下即可实现光响应，这比现有技术要求的电压低得多，显著降低了设备的能耗和对高压电路的依赖，使得设备更加易于集成和实用化。

3. 图像预处模式识别与运动聚类： 研究中展示的设备不仅能够响应光信号，还能够执行图像预处理任务，如背景去噪和编码时空运动信息，这使得设备在模式识别和运动聚类任务中表现出色，准确率分别达到了92%和100%。

4. 智能视觉系统的潜力： 这项研究不仅推动了光电神经形态设备的研究，还为开发能够在低电压和暗条件下实时图像处理的智能视觉系统提供了新的可能性，这对于未来智能视觉系统的设计和应用具有重要意义。

【结论与展望】

该项研究通过开发一种新型的基于ZnO/CsPbBr3异质结构的神经形态图像传感器阵列，为智能视觉系统的发展提供了新的方向。该设备能够在超低光强度和低电压下工作，展现出了优异的图像预处理能力和高准确率的模式识别与运动聚类能力。这些成果不仅推动了光电神经形态设备的研究，也为未来智能视觉系统的设计和应用提供了新的思路和可能性。

【论文插图】

图 1 a.人类视觉感知与适应性过程示意图。b. 模拟人类视知觉过程的 Bidir-ZC 神经形态图像传感器阵列图像预处理示意图。c. 单个像素的示意图结构。d. CsPbBr3薄膜与底部 ZnO 薄膜和叉指电极对齐的阵列扫描电镜图像。e. 100像素的正负光响应特性。

图2 a.在绿光照明下，光强度为250nW/cm2的 Bidir-ZC器件的 IPSC。b.绿光照射下的强度相关光电流。c.Bidir-ZC器件在紫外光照射下的 IPSC，光强度为45nW/cm2。d.紫外光照射下的强度相关光电流。e.绿光和紫外光脉冲分别诱导 Bidir-ZC器件的 IPSC。f.PPF指数与时间间隔的函数关系。g.分别在连续紫外光脉冲和绿光脉冲下的所有光诱导增强和抑制。h.增强和抑制过程的十个重复循环。

图3 a.ZnO薄膜、CsPbBr3薄膜及ZnO/CsPbBr3和 ZnO/PS/CsPbBr3异质结的TRPL光谱。b.以ZnO为导电通道的ZnO/CsPbBr3和ZnO/PS/CsPbBr3的ZnO薄膜和异质结的I-V 曲线。c-e.暗态（c）,绿光刺激(d)和紫外光刺激(e)下ZnO/CsPbBr3异质结的能带比对的示意图。

图4 a.捕捉外部光分布的阵列的示意图。B.在2.0V的偏置电压下每个像素的暗电流分布。C.在250 = nW/cm2的绿光脉冲下，用Neg-PC模式捕获的“S”形图案。d.并联连接的Pos-PC设备和Neg-PC设备的简化电路。e.组合装置在100秒内的暗适应和光适应。

图 5 a.Bidir-ZC神经形态图像传感器阵列用于图像去噪。b.输入一个“7”形图案的噪声图像。c.每个像素的初始电流根据其位置。d.传感器内去噪后输出图像。e.理想图像、噪声图像和去噪图像输入之间图像识别精度的比较。f.数组中的时空信息处理。G-h.输出每一时刻的图像，显示平移(g)和旋转(h)运动的运动轨迹。i.对理想图像、噪声图像和噪声图像记录的运动结果进行聚类分析。

【论文信息】

Han, X., Tao, J., Liang, Y. et al. Ultraweak light-modulated heterostructure with bidirectional photoresponse for static and dynamic image perception. Nat Commun 15, 10430 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54845-3

Xun Han, Juan Tao为本文共同第一作者。

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