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摘要
神经启发式视觉系统有望满足边缘计算日益增长的海量数据处理需求，边缘计算是一种分布式框架，将计算和数据存储更接近数据源。除了静态图像感知和处理能力外，神经启发式视觉系统的硬件实现还需要实现对移动目标的检测和识别。在这里，我们展示了一种基于二维 NbS2/MoS2混合薄膜的神经启发式光学传感器，该传感器具有显著的光诱导电导可塑性和低电能消耗。具有 10 × 10 NbS2 /MoS2光电晶体管的神经启发式光学传感器阵列实现了静态图像的高度集成感知、记忆和对比度增强功能，这有利于卷积神经网络 (CNN) 具有较高的图像识别精度。更重要的是，实验实现了移动光点的传感器内轨迹配准，使得后处理可以产生较高的恢复精度。我们的神经启发光学传感器阵列可以为高性能人工视觉系统的实现提供一个令人着迷的平台。
研究背景和主要内容
先进的人工视觉系统对于智能家居、自动驾驶汽车、视频内容分析等应用的发展至关重要。常见的数字视觉系统基于互补金属氧化物半导体（CMOS）平台开发，由用于接收视觉输入的分离的图像传感器、用于存储信息的存储器和用于执行计算的处理器组成。冯·诺依曼计算机的顺序处理范式在处理爆炸式增长的视觉数据时面临着能耗、冗余和延迟的巨大挑战。相比之下，人类视觉系统能够高效、准确地处理视觉数据。视网膜不仅可以获得高质量的视觉图像，还可以进行噪声抑制、图像锐化和运动提取等低级感官处理，从而减少冗余的视觉数据，提高人脑信息处理的效率 。虽然目前已提出了基于硅基CMOS技术的视网膜启发式视觉芯片，但其应用仍然存在电路复杂、模数转换失真、与后端处理平台兼容性差等缺点。因此，迫切需要高度集成视觉信息感知、记忆和预处理功能的神经启发式图像传感器的硬件实现，以推进人工视觉系统的发展。
金属氧化物薄膜、二维 (2D) 范德华 (vdW) 材料和相关异质结构因其在新兴的神经启发光学传感器中的应用而引起了广泛关注。特别是，原子级厚度的二维 vdW 异质结构表现出强的光物质相互作用、宽的光吸收光谱范围和栅极可调的能带结构。它们被认为是开发具有视觉信号感应和图像处理能力的神经启发视觉系统的理想材料候选者，与基于 CMOS 平台的传统视网膜芯片相比，预计它将提供高度简化的硬件系统。例如，Kim 等人报道了一种基于 MoS2 -聚（1,3,5-三甲基-1,3,5-三乙烯基环三硅氧烷）（pV3D3）异质结构的曲面神经形态图像传感器。通过与平凸透镜结合，该传感器可以从一组嘈杂的光输入中获取预处理后的图像。Park 等人报道了一种基于二维h -BN/WSe2异质结构的视神经突触装置。有趣的色度依赖性突触动力学使得设计用于彩色混合模式识别的人工视觉系统成为可能。然而，以前报道的基于新兴二维材料的神经启发图像传感器主要限于静态信息检测和处理。缺乏对运动目标的计算阻碍了完全硬件实现的机器视觉系统的开发，该系统将对静态和运动目标的预处理功能集成为生物视网膜。
在本研究中，我们报道了一种基于 2D NbS2 /MoS2混合薄膜的神经启发光电晶体管，该薄膜采用两步盐辅助化学气相沉积 (CVD) 方法合成。由于 NbS2 /MoS2异质界面处有效的栅极可调电荷转移，该器件表现出显著的持久光电导 (PPC)，具有多样化的光调制电导可塑性，包括脉冲间隔相关可塑性、脉冲数相关可塑性、多态光积累和电抑制。具有 10 × 10 NbS2 /MoS2器件的神经启发光学传感器阵列可实现静态图像的多种功能，包括感应、记忆和对比度增强，这有利于卷积神经网络 (CNN) 在人工视觉系统中具有较高的图像识别精度。更重要的是，还通过实验证明了动态光点的轨迹配准，为复杂路径提供了很高的恢复精度。神经启发光学传感器的发展可以为构建紧凑、高效的人工视觉系统提供更多机会。
图 1：基于 2D NbS2 /MoS2混合薄膜的神经启发光学传感器阵列，用于处理静态和移动目标。a 用于处理静态和移动目标的神经启发式视觉系统示意图。该图部分使用 Servier 提供的 Servier Medical Art 生成，根据 Creative Commons Attribution 3.0 未移植许可证获得许可。b神经启发式光学传感器阵列的数字图像和相应的电路图。( b )中的比例尺：5 毫米。c 10 × 10 设备阵列的低倍光学照片和 NbS2 /MoS2光电晶体管的示意图。( c )中的比例尺：100 微米。
图2：NbS2 /MoS2光电晶体管的光电性能。a 制备器件的OM图像。右图：NbS 2 /MoS 2混合膜的 AFM 高度图像和 SAED 图案。b在 不同入射光功率下V ds = 1 V时的器件传输曲线（I ds - V gs ） 。c在V gs = −50 V时器件对四个光 ON/OFF 循环的光响应。 绿色阴影表示光脉冲的持续时间。d不同偏置栅极处的 PPC 和能带图起源的示意图。e电导的调制比与间隔时间（Δ t ）的关系。插图绘制了器件在两个连续光脉冲（宽度为 500
