香港理工郝建华、北航潘曹峰、浙大陈梦晓等《自然·通讯》：极弱光调制双向光响应神经形态图像传感器

研究背景

人类视觉系统具有复杂场景感知能力、高效的信息处理机制以及在多变光照条件下的适应性。这些特性启发了仿生视觉系统以及光电神经形态器件的研发，旨在解决传统冯・诺依曼架构中的能耗和存储瓶颈问题。近年来，研究重点集中在模仿人类视觉系统的关键功能，如精准的颜色感知、高效视觉注意力分配和灵活的视觉适应能力等。其中双向光电导特性对于模拟人眼适应性至关重要。然而，现有的技术通常需要高栅压控制，且其工作光强范围（几到几十mW/cm²）远超日常生活中的光照水平。例如，普通日光（约100,000勒克斯）下550nm绿光的强度仅为14.60 mW/cm²，而室内或夜间环境的光强更是低至几十nW/cm²至几十μW/cm²之间，与所需光强相去甚远。因此，开发能在低操作电压和低光强条件下高效工作的双向光电导神经形态器件成为亟需解决的技术挑战。

研究成果

香港理工大学郝建华教授团队联合北京航空航天大学潘曹峰教授、浙江大学陈梦晓研究员团队提出了一种基于 ZnO/CsPbBr3 异质结构的双向光响应神经形态图像传感器阵列，该阵列具有极弱光刺激响应能力。在2.0 V 偏压下以及极低的光强下（如45 nW/cm²的365nm 紫外光或250 nW/cm²的525nm绿光）实现了负光电导特性。通过融合正负光电导特性成功模拟人眼视觉适应功能。此外，在器件内还可实现静态图像的背景去噪以及时空运动信息的编码等功能，并在图像识别与运动聚类的应用中达到了92%与100%的高准确率。

相关研究以“Ultraweak light-modulated heterostructure with bidirectional photoresponse for static and dynamic image perception”为题发表在Nature Communications期刊上。香港理工大学Research Fellow韩勋和复旦嘉善研究院陶娟副研究员为共同第一作者，郝建华教授，潘曹峰教授和陈梦晓研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划，Research Grants Council of Hong Kong等项目的资助。

内容简介

极弱光调制的双向光响应特性

为模拟人眼的视觉适应功能，研究人员提出了一种简单的ZnO/CsPbBr3异质结构。其中ZnO薄膜作为导电通道，CsPbBr3作为光敏层调节ZnO薄膜的电导率。结合传统的光刻、薄膜沉积等微加工工艺，研究人员将此异质结构集成为10×10的图像传感器阵列，并展示出优异的阵列器件均匀性及良率（图1）。在365nm的紫外光以及525nm的绿光的刺激下，该器件表现出随偏压以及光强变化的双向光响应特性。例如2.0 V 偏压下，在250 nW/cm²的绿光照射下，器件展示出负光电导特性；随着光强逐渐增加，负光电导特性先增强后减弱，并最终转换为正光电导特性；而在0.5V偏压下，器件仅表现出正光电导特性。通过精确控制偏压及光强，器件能够实现连续的光电流增强与抑制循环，从而完成信息的读取与擦除（图2）。

图1、双向光响应神经形态图像传感器阵列的设计和结构。

图 2、双向光响应神经形态图像传感器阵列的光电导和突触行为。

双向光响应特性的机理分析

研究人员发现这种极弱光和低电压调制的双向光响应特性，同样可以在由 ZnO或 IGZO 与多种金属卤化物钙钛矿组成的异质结中实现，例如ZnO/MAPbBr3, ZnO/PEA2MA3Pb4I13 以及 IGZO/MAPbI3异质结。正负光电导特性的产生，是由于光生载流子参与下ZnO或IGZO薄膜中氧空位的离化和去离化过程，这一过程导致了薄膜电导率的变化。因此，通过调节ZnO薄膜与钙钛矿薄膜的厚度以及施加的电压，可以灵活调控双向光响应特性（图3）。

图 3、正负光电导特性的机理。

视觉适应及静态、动态图像预处理功能

利用器件的正负光响应特性的灵敏度和响应度差异，研究人员通过组合只具有正响应或负响应的器件，模拟了人眼的视觉适应特性。在强光条件下，器件输出电流降低，模拟人眼的明视觉；而在弱光条件下，电流缓慢上升，对应于暗视觉（图4）。在日常生活中，目标物体与背景通常在发光强度或颜色上存在差异。研究人员利用这一特性及器件光强相关的正负光响应机制，实现了静态图像的降噪功能。在成像过程中，输入图像背景像素点光强较低导致器件对应的像素点电流降低，而目标物体像素点光强大则会引起电流升高，因此通过施加一个图像光脉冲就可以实现器件内的图像降噪。此外，利用器件光电流随时间变化的特性，研究人员利用阵列器件进行运动物体的时空信息编码，记录了物体的运动轨迹及方向，并实现了100%的运动轨迹聚类准确率（图5）。

图 4、双向光响应神经形态图像传感器阵列的成像和视觉适应功能。

图 5、基于双向光电导效应的图像去噪和运动物体感知。

总结

研究人员提出了一种基于ZnO/CsPbBr3 异质结构的神经形态图像传感器阵列。通过对界面处光生载流子转移过程的控制，实现了低偏压下极弱光调控的双向光电导特性。该器件结构简单，制备方法与微加工工艺兼容，使得双向光电导特性可以在多种材料中复现，并确保了阵列器件的高均匀性和良率。这种器件凭借其简单的器件结构，可调谐的双向光响应特性以及准确的图像预处理能力为开发先进的机器视觉系统提供了极具潜力的解决方案。

原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54845-3

来源：高分子科学前沿

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