中国科学院开拓柔性碳 纳米管人工视觉光电传感器

发布于2021-03-26 11:00    文章来源:网络整理

视觉系统对生物体的保留和竞争必不行少。在视觉信息处理惩罚进程中,在大脑视觉中枢做出巨大行为判定前,视网膜在对光刺激信号举办检测的同时,并行处理惩罚所捕捉的图像信息。开拓人工视觉系统的挑战是双重的,既要从头建设动物视觉系统的机动性、巨大性和适应性,又要通过高效率计较和简捷的方法来实现它。

今朝,人工视觉系统往往回收传统的互补金属氧化半导体(CMOS)可能电荷耦合器件(CCD)图像传感器与执行呆板视觉算法的数字系统相毗连来实现,这些传统的数字人工视觉系统具有功耗高、尺寸大、本钱高档缺点。对比而言,人类视觉系统拥有许多带有突触的视神经元,可以或许探测图像信息,并可以存储信息和处理惩罚数据,因而能平行地处理惩罚大量的信息,而每个突触勾当所淹灭的能量仅为1-100飞焦耳。

因此,将图像感测、存储和处理惩罚成果集成到器件的单一空间,并针对持续模仿亮度信号及时处理惩罚差异范例的时空计较,对实现神经形态人工视觉系统意义重大。具有神经形态的光电传感器通过模仿电子电路,实现由生物系统开导的非凡视觉处理惩罚成果,这些电路适合于实验仿照生物视觉系统的构建。

据麦姆斯咨询报道,克日,中国科学院金属研究所与海内多家单元的科研团队相助,开拓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。3月19日,相关研究成就以《面向神经形态视觉系统的柔性超敏捷光电传感阵列》(A flexible ultrasensitive optoelectronic sensor array for neuromorphic vision systems)为题,在线颁发在《自然-通讯》(Nature Communications)上。

为了构筑高机能的神经形态视觉系统,必需首先得到具有超高响应度、探测性和信噪比的光电传感器。为了在极度暗淡的光泽条件下实现加强的成像本领,科研人员设计并制备了一个1024像素的柔性光电传感器阵列,利用半导体性碳纳米管和钙钛矿量子点的组相助为神经形态视觉系统的有源敏感质料,集成了光传感、信息存储和数据预处理惩罚等成果,实现了视觉图像强化进修进程。这两类质料均具有优异的柔韧性、不变性及工艺兼容等特点,通过质料组合为实现兼具生物体机动性、巨大性和适应性的神经形态人工视觉传感器提供了新计策。这是第一次通过高集成度物理器件阵列方法,欧洲杯竞猜官网,实现超弱光脉冲(1 μW/cm2)响应,并完成神经形态强化进修的案例。与生物系统行为雷同,光电传感器、存储元件和数据阐明处理惩罚等组件在阵列中共享物理空间,并及时并行处理惩罚信息,这些功效对付试图仿照生物视觉处理惩罚的人工视觉系统具有重要的开导意义。

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图1 单位器件设计与机能。半导体性碳纳米管和无机钙钛矿量子的复合薄膜组成器件的沟道质料。个中,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、布局示意图;b、柔性人工视觉芯片外观图(标尺,5 mm);c、差异光强下的器件转移特性曲线;d、暗态(上图)与光照(下图)条件下的浸染机制

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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干系,个中响应度高达5.1×10? A/W; b、探测度与激光功率密度干系,个中探测度高达2×101? Jones;c、基于差异种别质料的器件响应度-探测度综合机能比拟;d、光学和电学鼓励下的器件开关响应特性,个中信噪比大于>10?;e、人工神经突触的双脉冲易化(PPF)机能;f、人工神经突触的长程加强现象

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图3 碳纳米管-量子点神经形态人工视觉光电传感器。a、人工视觉芯片外观图(标尺,5 mm);b、1024像素传感器阵列光学照片(标尺,0.5 mm);c、单位像素的光学照片(标尺,20 μm); d、人类视觉皮层针对差异人脸形成的差别性印象的示意图;e、初始状态以及在10、20、50、100和200个光脉冲练习后数字“8”突触权重功效。个中,激光波长405nm,激光功率密度1 μW/cm2,光脉冲宽度250 ms,脉冲隔断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功率密度下练习10个光脉冲后数字“8”的突触权重功效。个中,激光波长405 nm,光脉冲宽度250 ms,脉冲隔断250ms;g. 人类面部(论文第一作者)的识别练习进程模仿