【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院教授孟祥悅團隊在無鉛鈣鈦礦神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器方面取得重要進展，相關(guān)研究成果以“Chelated tin halide perovskite for near-infrared neuromorphic imaging array enabling object recognition and motion perception”為題，發(fā)表于Nature Communications。該工作系統(tǒng)性地提出并驗證了一種全新無鉛鈣鈦礦神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器成像策略，實現(xiàn)了低能耗、強穩(wěn)定性和近紅外(NIR)響應(yīng)的光電突觸器件及陣列芯片，并成功實現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下的高精度目標識別與運動感知，在智能感知與類腦計算領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
當前，傳統(tǒng)圖像傳感器芯片(如CCD與CMOS等)已難以滿足人工智能、自動駕駛等前沿應(yīng)用對于感知-計算一體化、低延遲與低功耗的要求。受啟發(fā)于生物視覺系統(tǒng)的“感知—記憶—處理”協(xié)同機制，神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器逐漸成為新一代智能感知技術(shù)的研究熱點。本研究從生物視覺系統(tǒng)中汲取靈感，利用鈣鈦礦材料對光生電荷和離子的調(diào)控能力，制備了硬件級“光感知-記憶-決策”一體化的新型神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器。針對傳統(tǒng)鉛基鈣鈦礦存在的毒性問題以及對近紅外響應(yīng)范圍有限等挑戰(zhàn)，研究團隊創(chuàng)新性地引入了天然無毒的植物分子槲皮素(Quercetin)作為功能化配體，通過構(gòu)建多位點螯合策略穩(wěn)定無鉛錫鹵鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)。該策略有效抑制了錫離子氧化與空位缺陷的生成，顯著改善薄膜質(zhì)量與器件穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，研究團隊發(fā)展出基于FASnI?-QR的近紅外光電突觸器件，展現(xiàn)出準線性時間響應(yīng)、長壽命光生電流衰減和低的能耗等優(yōu)異的突觸可塑性行為，成功模擬了短時記憶(STP)與長時記憶(LTP)等關(guān)鍵神經(jīng)突觸特征。
通過構(gòu)建3×3的陣列，團隊展示了光電突觸在硬件層面的神經(jīng)形態(tài)成像和圖像預(yù)處理能力，能夠從大量噪聲光輸入中提取關(guān)鍵圖像信息，并且模擬了記憶和遺忘的突觸行為，表現(xiàn)出優(yōu)異的去噪能力和記憶保持特性。進一步，該神經(jīng)形態(tài)突觸器件在MNIST手寫數(shù)字數(shù)據(jù)集的測試中表現(xiàn)出90.53%的識別準確率，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)器件的79.86%。此外，該器件在能耗方面亦表現(xiàn)出色，其單次突觸事件電能消耗低至3.84 fJ，接近生物突觸能耗水平(1–10 fJ)，為構(gòu)建低功耗、智能化圖像感知系統(tǒng)提供了新的思路。此外，器件在空氣中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與抗光衰能力，進一步增強了其在現(xiàn)實環(huán)境下的應(yīng)用可行性。此外，團隊通過異質(zhì)集成技術(shù)構(gòu)建了近紅外神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器，實現(xiàn)了硬件級時空信息融合。在復(fù)雜環(huán)境(如煙霧、遮擋等)中，該陣列可實現(xiàn)目標識別、特征增強和運動軌跡識別。有望用于自動監(jiān)控和自動駕駛等人工智能領(lǐng)域。
本研究不僅為未來無鉛、綠色、高性能光電子器件的設(shè)計提供了理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)，也為構(gòu)建下一代可集成的智能成像與感知系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)路徑。研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃以及中國科學(xué)院大學(xué)相關(guān)項目的支持。這一成果近期發(fā)表在Nature Communications上，國科大博士研究生劉天華、國科大碩士研究生袁子荃為共同第一作者，孟祥悅和香港理工大學(xué)教授柴揚為通訊作者。
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