近期，由中科院金屬所沈陽材料科學國家研究中心孫東明、成會明課題組與南京理工大學李曉明、曾海波課題組，中科院蘇州納米所邱松、李清文課題組，東北大學田亞男和南京大學王肖沐等單位合作，開發(fā)出一種柔性碳納米管-量子點神經(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、復雜性和適應性，又要通過高效率計算和簡潔的方式來實現(xiàn)它。目前的人工視覺系統(tǒng)往往采用傳統(tǒng)的互補金屬氧化半導體（CMOS）或者電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器與執(zhí)行機器視覺算法的數(shù)字系統(tǒng)相連接來實現(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。

科研人員設計并制備了一個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作為感光層和光生電荷俘獲層，半導體性碳納米管薄膜作為電荷傳輸層，二者復合具有良好的柔性，能夠均勻的大面積成膜，并能夠保持長期穩(wěn)定性。同時，該光電傳感器陣列集成了光傳感、信息存儲和數(shù)據(jù)預處理等功能，這與生物系統(tǒng)行為類似，實現(xiàn)實時并行處理信息，這對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，研究還首次實現(xiàn)了在極暗條件下響應（超弱光脈沖1 μW/cm2），并完成神經(jīng)形態(tài)強化學習的案例。

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計，構建功能更強大的人工神經(jīng)網(wǎng)絡，模擬大腦對信息的處理過程，實現(xiàn)對已知數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)和特征進行學習，從而獲得對未知數(shù)據(jù)更加強大的處理能力。

全文鏈接：http://DOI:10.1038/s41467-021-22047-w

圖1. 單元器件設計與性能。

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

圖2. 光電響應與神經(jīng)突觸特性。

a. 響應度、外量子效率與激光功率密度關系，其中響應度高達5.1×107 A/W； b. 探測度與激光功率密度關系，其中探測度高達2×1016 Jones；c. 基于不同類別材料的器件響應度-探測度綜合性能對比；d. 光學和電學激勵下的器件開關響應特性，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)突觸的長程增強現(xiàn)象。

圖3. 碳納米管-量子點神經(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（標尺，5 mm）；b. 1024像素傳感器陣列光學照片（標尺，0.5 mm）；c. 單元像素的光學照片（標尺，20μm）； d.人類視覺皮層針對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個光脈沖訓練后數(shù)字“8”突觸權重結果。

其中，激光波長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功率密度下訓練10個光脈沖后數(shù)字“8”的突觸權重結果。其中，激光波長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）的識別訓練過程模擬。

編輯：jq