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高集成神经形态人工视觉光电传感器问世

中新网辽宁 2021年04月08日 18:09

  中新网辽宁新闻4月8日电 近期,由中科院金属所孙东明、成会明课题组与南京理工大学李晓明、曾海波课题组,中科院苏州纳米所邱松、李清文课题组,东北大学田亚男和南京大学王肖沐等单位合作,开发出一种柔性碳纳米管-量子点神经形态人工视觉光电传感器,研究成果以“面向神经形态视觉系统的柔性超灵敏光电传感阵列”为题于3月19日在《自然·通讯》在线发表。

  图1. 单元器件设计与性能。半导体性碳纳米管和无机钙钛矿量子的复合薄膜构成器件的沟道材料。其中,量子点作为感光层和光生电荷俘获层,高纯度半导体性碳纳米管薄膜作为载流子传输层。a. 结构示意图;b. 柔性人工视觉光电传感器外观图(标尺,5 mm);c. 不同光强下的器件转移特性曲线;d. 暗态(上图)与光照(下图)条件下的作用机制。

  开发人工视觉系统,既要重新创建人工系统的灵活性、复杂性和适应性,又要通过高效率计算和简洁的方式来实现它。目前的人工视觉系统往往采用传统的互补金属氧化半导体(CMOS)或者电荷耦合器件(CCD)图像传感器与执行机器视觉算法的数字系统相连接来实现,这些传统的数字人工视觉系统具有功耗高、尺寸大、成本高等缺点。

   图2. 光电响应与神经突触特性。a. 响应度、外量子效率与激光功率密度关系,其中响应度高达5.1×107 A/W; b. 探测度与激光功率密度关系,其中探测度高达2×1016 Jones;c. 基于不同类别材料的器件响应度-探测度综合性能对比;d. 光学和电学激励下的器件开关响应特性,其中信噪比大于>105;e. 人工神经突触的双脉冲易化(PPF)性能;f. 人工神经突触的长程增强现象。

  科研人员设计并制备了一个1024像素的柔性神经形态光电传感器阵列,其中铯铅溴钙钛矿量子点作为感光层和光生电荷俘获层,半导体性碳纳米管薄膜作为电荷传输层,二者复合具有良好的柔性,能够均匀的大面积成膜,并能够保持长期稳定性。同时,该光电传感器阵列集成了光传感、信息存储和数据预处理等功能,这与生物系统行为类似,实现实时并行处理信息,这对于模仿生物视觉处理的人工视觉系统具有重要的启发意义。此外,研究还首次实现了在极暗条线下响应(超弱光脉冲1 μW/cm2),并完成神经形态强化学习的案例。

  图3. 碳纳米管-量子点神经形态人工视觉光电传感器。a. 人工视觉光电传感器外观图(标尺,5 mm);b. 1024像素传感器阵列光学照片(标尺,0.5 mm);c. 单元像素的光学照片(标尺,20 μm); d. 人类视觉皮层针对不同人脸形成的差异性印象的示意图;e. 初始状态以及在10、20、50、100和200个光脉冲训练后数字“8”突触权重结果。其中,激光波长405 nm,激光功率密度 1 μW/cm2,光脉冲宽度250 ms,脉冲间隔250 ms;f. 初始状态以及在4.0 μW/cm2, 0.3 mW/cm2, 1.0 mW/cm2, 2.5 mW/cm2 和 4.0 mW/cm2功率密度下训练10个光脉冲后数字“8”的突触权重结果。其中,激光波长405 nm,光脉冲宽度250 ms,脉冲间隔250 ms;g. 人类面部(论文第一作者)的识别训练过程模拟。

  基于此神经形态光电传感器,下一步科研人员希望通过电路设计,构建功能更强大的人工神经网络,模拟大脑对信息的处理过程,实现对已知数据之间的关联和特征进行学习,从而获得对未知数据更加强大的处理能力。

  全文链接:http://DOI:10.1038/s41467-021-22047-w