神經形態視覺系統研究獲進展

季華實驗室副研究員張鈺聯合天津大學教授胡文平和楊方旭團隊首次開發了基于超薄二維分子晶體的線偏振光敏感神經形態視覺系統，在單個器件中實現了偏振敏感性、光探測和突觸行為等多種功能的高效集成。相關成果近日在線發表于《先進材料》（Advanced Materials）。

在視覺科技不斷發展的今天，神經形態視覺系統逐漸成為提升人類視覺能力的重要研究方向。受視網膜和大腦啟發而開發的集“感-存-算”于一體的神經形態視覺系統，有望解決傳統的基于馮·諾依曼架構的人工視覺系統中存在的高能耗、冗余和延遲等問題。某些物種，如蜜蜂，其復眼中具有特殊光感受器，使它們能夠檢測線偏振光的電場矢量方向，從而增強其導航能力和覓食效率。這種獨特的偏振敏感性啟發先進視覺神經形態設備的開發，以提高空間意識和環境分析，并增強感知的豐富性。

然而，目前將偏振敏感性、光探測和突觸行為等功能集成到單個器件中仍存在挑戰。這種集成通常需要為每個性能指標提供不同的功能組件，從而導致復雜的制造過程并限制器件的整體性能。因此，構建一個能夠高效集成多種功能并表現出全面優越性能的一體化神經形態視覺系統仍然是一個艱巨的挑戰。

為了解決這些挑戰，研究團隊首次開發了一種基于分子級厚度二維有機單晶的線偏振光敏感的多功能集成及優異性能的神經形態視覺系統。二維有機單晶在構筑偏振敏感的有機光電突觸視覺系統中展現出多重優勢。首先，其長程有序排列的分子結構具有本征的各向異性，從而表現出顯著的各向異性吸收，為研究有機半導體的本征線性二向色性提供了堅實的基礎。其次，二維分子晶體的超薄特性確保了溝道內載流子的均勻分布，可實現載流子的一致調制。

此外，其分子級厚度結構屬性也保證了載流子傳輸溝道可以直接與偏振光耦合，從而增強光感知能力。第三，在二維有機單晶中引入的光生載流子俘獲機制，可實現可控電荷存儲行為調節，從而促進優異光電突觸特性的產生，包括高動態調制范圍和對偏振光的敏感響應等。借助這些優勢，基于二維分子晶體的突觸晶體管表現出優異的光電性能，包括大的電流二向色性比（3.85）、優異載流子遷移率以及高響應度，并能精確模擬多種突觸功能。

該神經形態視覺系統實現了對物體多維偏振信息的獲取，并在非接觸指紋識別中實現了高達99.8%的識別準確率，展示出其在先進智能感知系統中的巨大潛力。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202409550