四色视觉启发的超弱紫外光探测神经形态视觉传感器

传统的数字图像处理系统包括图像传感单元和图像处理单元，二者在物理空间上分离，图像信息在其间的传输产成了延时与能耗。人类视觉系统启发的神经形态视觉传感器 (NeuVS) 可以通过在单一器件中集成光传感和人工突触功能，以模拟视觉感知系统的传感器内计算操作（图1a），感存算一体化的实现，可以提高机器视觉系统信息处理的效率，并降低功耗，具有优异的应用前景。人类视网膜包含三种视锥细胞以感知可见光，形成红绿蓝（RGB）三色视觉。紫外线辐射作为太阳辐射中人眼不可见部分，在杀菌、鉴定、透视和医疗健康等方面发挥着重要作用，另一方面，长时间的紫外光暴露，会对人眼、皮肤等产生危害。在实际的紫外预警探测中，紫外信号通常较弱，导致检测困难，且其他波长的光（如RGB）的存在也会干扰检测。因此，探索能感知超弱紫外光的神经形态视觉传感器，实现对紫外线辐射的预警具有重要意义。

针对以上问题，天津大学胡文平-纪德洋教授团队，联合南京邮电大学凌海峰教授团队和长春应用化学研究所的田洪坤研究员团队，以有机光电晶体管（OPTs）为基本工作单元（图1b和1c），受昆虫眼睛四色视觉系统的启发，利用OPTs超灵敏的紫外光响应特性及存储性能，在OPTs中，实现了集成光响应、预处理和存储过程的NeuVS，并展示了其在静态图像和动态视频识别中的应用。

图1. (a）由传感单元、记忆单元和处理单元组成的人类视觉系统。（b）有机神经形态视觉传感器示意图。（c）BTBTT6-syn的紫外-可见吸收光谱和化学结构。（d）文中OPTs的检测极限与之前报道的紫外光晶体管比较。

该工作中，利用 BTBTT6-syn的密排双层结构、强的分子间相互作用以及BTBTT6−syn/SiO₂界面羟基俘获电子的特点，OPTs器件可响应31 nw cm⁻²的超弱紫外光，是目前所报道的有机紫外光晶体管的最低检测值（图1d）。利用界面工程，选择不同的聚合物介电层，调节器件中的界面缺陷。激子结合能和载流子迁移率的协同效应，增强了具有缓冲层的器件在高光强条件下的光灵敏度（图2a）。所有器件的光响应性能包括光灵敏度（P）接近10⁶，光响应度（R）高达10⁷ A W⁻¹，比探测率（D*）超过10¹⁷ Jones，呈现出超强的光电探测能力。

图2.（a）不同界面器件的光灵敏度随光密度的变化。（b）31 nw cm⁻²紫外光刺激下，裸SiO₂器件的EPSC。（c）不同电流水平下，裸SiO₂器件的维持性能。（d）不同波长光刺激下，裸SiO₂器件的EPSC。（e）有/无神经形态预处理下，模式识别的精度。（f）具有不同缓冲层器件的模式识别精度。

得益于SiO₂表面羟基俘获电子的特点，裸SiO₂器件对于31 nw cm⁻²的超弱紫外光具有显著的光响应特性，呈现出明显可分离的电导态及长时程增强功能，最佳维持时间可达20,000秒以上（图2b和2c）。由于BTBTT6-syn对紫外光独特的灵敏性，器件具有较高的紫外光选择性响应特性，而对RGB光的响应很弱（图2d），利用这一特点，以OPTs器件阵列构建的NeuVS，可以有效过滤环境中的RGB噪声，实现高效的信息预处理功能，对于手写数字的识别率可从降噪前的46%提高到86%，通过界面工程调控，识别率进一步提升到90%（图2e和2f）。最后，文中还展示了NeuVS在动态视频识别中的应用（图3）。这项工作为构建紫外超灵敏智能传感和人工视觉系统提供了一种有效的策略。

图3. 使用基于BTBTT6-syn的突触OPTs阵列进行运动检测的示意图。

相关论文近期发表在Nature Communications 上，论文共同第一作者为天津大学硕士研究生蒋婷和南京邮电大学博士后王一如，通讯作者为天津大学分子聚集态科学研究院的纪德洋教授、南京邮电大学有机电子与信息显示国家重点实验室的凌海峰教授和长春应用化学研究所的田洪坤研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Tetrachromatic vision-inspired neuromorphic sensors with ultraweak ultraviolet detection

Ting Jiang, Yiru Wang, Yingshuang Zheng, Le Wang, Xiang He, Liqiang Li, Yunfeng Deng, Huanli Dong, Hongkun Tian, Yanhou Geng, Linghai Xie, Yong Lei, Haifeng Ling, Deyang Ji & Wenping Hu

Nat. Commun., 2023, 14, 2281, DOI: 10.1038/s41467-023-37973-0

导师介绍

胡文平

http://tjmos.tju.edu.cn/huwenping/index.htm 

https://www.x-mol.com/university/faculty/26829 

纪德洋

http://imas.tju.edu.cn/info/1024/1851.htm 

凌海峰

http://iam.njupt.edu.cn/2020/0120/c12304a162545/page.htm 

https://www.x-mol.com/groups/CMSOD/people/36546 

田洪坤

http://www.ciac.jl.cn/sourcedb_ciac1_cas/cn/zjrck/yjy/202011/t20201120_5758929.html 

https://www.x-mol.com/university/faculty/15737