颠覆视觉感知！三大名校联手打造超能“光脑”！黑暗中也能洞察一切！

人类视觉系统对不同亮度水平的适应性激发了光电神经形态设备的发展，但要模拟这些功能实现双向光响应通常需要高工作电压或高光照强度。

2024年11月30日，香港理工大学郝建华教授、浙江大学陈梦晓研究员和北京航空航天大学潘曹峰教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Ultraweak light-modulated heterostructure with bidirectional photoresponse for static and dynamic image perception》的研究论文，Xun Han和Juan Tao为论文共同第一作者，郝建华教授、陈梦晓研究员和潘曹峰教授为论文共同通讯作者。

郝建华，香港理工大学材料物理与器件讲座教授，纳米科技研究中心主任。在华中科技大学获得学士、硕士和博士学位，2006年加入香港理工大学任教。他的铁电发光研究极具开创性，享誉国际，他把铁电调控概念引入至稀土发光领域，并开创了 “智能发光材料” 的概念。

郝建华教授的研究范畴包括金属离子掺杂发光材料和器件，应用于光子学和生物医学的多功能纳米发光材料，应用于电子和光电子学的功能性薄膜、二维材料和异质结，以及清洁能源和传感应用的智能及可持续材料。

陈梦晓，浙江大学生仪学院新百人计划研究员。在东北大学获学士学位，在中国科学院国家纳米科学中心获博士学位，随后在新加坡南洋理工大学从事博士后研究。

陈梦晓研究员主要开展柔性电子中超适形传感相关研究，包括材料特性研究和器件设计制备工作，已实现ZnO/Ga₂O₃微米线应变增强的日盲深紫外光探测，硅基异质结LED阵列应力分布成像，设计了三维超适形自供能触觉传感纤维网络，成功完成应力传感在半导体和柔性高分子材料基础上的人机交互过程。

潘曹峰，北京航空航天大学蓝天杰出二级教授，国家杰青。2005年在清华大学获学士学位，2010年在清华大学获博士学位，随后，在美国佐治亚理工学院从事博士后研究。

潘曹峰教授围绕传统触觉传感器阵列集成度与分辨率低、无法兼顾高灵敏度与宽线性响应、柔性可延展性差等难题，提出通过调控低维半导体结构-界面-能带来探测应力的思路，开展触觉传感全链条研究，成功构筑了人工智能机器触觉，取得了多项重要进展。

在这里，作者提出了一种基于ZnO/CsPbBr₃异质结构的双向神经形态图像传感器阵列（10×10像素），能够进行超弱光刺激。

该设备通过ZnO通道中氧空位的电离和去离子表现出正负光电导性，可扩展到其他ZnO/钙钛矿和IGZO/钙钛矿异质结构。在2.0 V的低偏压下工作，其在绿光（525 nm）和紫外光（365 nm）下实现突触权重更新，光强度范围低至45 nW/cm²至15.69 mW/cm²，模仿了基本突触功能和视觉适应。

此外，它能够执行多种图像预处理任务，包括背景去噪和时空运动编码，在模式识别中准确率达到92%，在运动聚类中准确率达到100%。

这种简单的策略凸显了智能视觉系统能够在低电压和黑暗条件下进行实时图像处理的潜力。

图1：bidir-ZC神经形态图像传感器阵列的设计和结构

图2：bidir-ZC神经形态图像传感器阵列的光电导性和突触行为

图3：Neg-PC和Pos-PC行为的机制

图4：bidir-ZC神经形态图像传感器阵列的成像和视觉适应

图5：基于Pos-PC和Neg-PC行为的图像去噪和运动物体感知

综上，作者开发了一种基于氧化物半导体和钙钛矿形成的异质结的简单方法来实现具有超弱光调制双向光响应的阵列设备。基于ZnO/CsPbBr₃异质结的10×10阵列在紫外光和绿光刺激下表现出光诱导的Neg-PC增强、Neg-PC抑制以及Neg-PC到Pos-PC的转化。

在这种简单的两端器件结构中，45 nW/cm²的超弱光强度和2.0 V的偏置电压可以触发Neg-PC效应。通过结合Neg-PC和Pos-PC特性，视觉适应在1.42 μW/cm²至1.31 mW/cm²的强度范围内被实现。

此外，在阵列设备端进行了多种图像处理过程，包括静态图像去噪和实时去噪动态图像的运动感知。

该研究采用结合降维和基于密度的聚类算法的简单无监督学习方法进行运动方向识别，显示出高精度运动聚类和异常运动检测的能力。

Han, X., Tao, J., Liang, Y. et al. Ultraweak light-modulated heterostructure with bidirectional photoresponse for static and dynamic image perception. Nat. Commun., (2024).