傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)包括圖像傳感單元和圖像處理單元，二者在物理空間上分離，圖像信息在其間的傳輸產(chǎn)成了延時與能耗。受人類視覺系統(tǒng)啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器（NeuVS）可以通過在單一器件中集成光傳感和人工突觸功能，以模擬視覺感知系統(tǒng)的傳感器內(nèi)計算操作（圖1a），感存算一體化的實現(xiàn)，可以提高機器視覺系統(tǒng)信息處理的效率，并降低功耗，具有優(yōu)異的應(yīng)用前景。人類視網(wǎng)膜包含三種視錐細胞以感知可見光，形成紅綠藍（RGB）三色視覺。紫外線輻射作為太陽輻射中人眼不可見部分，在殺菌、鑒定、透視和醫(yī)療健康等方面發(fā)揮著重要作用，另一方面，長時間的紫外光暴露，會對人眼、皮膚等產(chǎn)生危害。在實際的紫外預(yù)警探測中，紫外信號通常較弱，導(dǎo)致檢測困難，并且其他波長的光（如RGB）的存在也會干擾檢測。因此，探索能感知超弱紫外光的神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器，實現(xiàn)對紫外線輻射的預(yù)警具有重要意義。

圖1 (a）由傳感單元、記憶單元和處理單元組成的人類視覺系統(tǒng)。（b）有機神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器示意圖。（c）BTBTT6-syn的紫外-可見吸收光譜和化學(xué)結(jié)構(gòu)。（d）文中OPTs的檢測極限與之前報道的紫外光晶體管比較。

針對以上問題，天津大學(xué)紀德洋教授團隊，聯(lián)合南京郵電大學(xué)凌海峰教授團隊和長春應(yīng)用化學(xué)研究所的田洪坤研究員團隊，以有機光電晶體管（OPTs）為基本工作單元（圖1b和1c），受昆蟲眼睛四色視覺系統(tǒng)的啟發(fā)，利用OPTs超靈敏的紫外光響應(yīng)特性及存儲性能，在OPTs中，實現(xiàn)了集成光響應(yīng)、預(yù)處理和存儲過程的NeuVS，并展示了其在靜態(tài)圖像和動態(tài)視頻識別中的應(yīng)用。

該工作中，利用BTBTT6-syn的密排雙層結(jié)構(gòu)、強的分子間相互作用以及BTBTT6?syn/SiO2界面羥基俘獲電子的特點，OPTs器件可響應(yīng)31 nw/cm2的超弱紫外光，是目前所報道的有機紫外光晶體管的最低檢測值（圖1d）。利用界面工程，選擇不同的聚合物介電層，調(diào)節(jié)器件中的界面缺陷。激子結(jié)合能和載流子遷移率的協(xié)同效應(yīng)，增強了具有緩沖層的器件在高光強條件下的光靈敏度（圖2a）。所有器件的光響應(yīng)性能包括光靈敏度（P）接近10?，光響應(yīng)度（R）高達10? A/W，比探測率（D*）超過101? Jones，呈現(xiàn)出超強的光電探測能力。

圖2 （a）不同界面器件的光靈敏度隨光密度的變化。（b）31 nw/cm2紫外光刺激下，裸SiO2器件的EPSC。（c）不同電流水平下，裸SiO2器件的維持性能。（d）不同波長光刺激下，裸SiO2器件的EPSC。（e）有/無神經(jīng)形態(tài)預(yù)處理下，模式識別的精度。（f）具有不同緩沖層器件的模式識別精度。

得益于SiO2表面羥基俘獲電子的特點，裸SiO2器件對于31 nw/cm2的超弱紫外光具有顯著的光響應(yīng)特性，呈現(xiàn)出明顯可分離的電導(dǎo)態(tài)及長時程增強功能，最佳維持時間可達20,000秒以上（圖2b和2c）。由于BTBTT6-syn對紫外光獨特的靈敏性，器件具有較高的紫外光選擇性響應(yīng)特性，而對RGB光的響應(yīng)很弱（圖2d），利用這一特點，以O(shè)PTs器件陣列構(gòu)建的NeuVS，可以有效過濾環(huán)境中的RGB噪聲，實現(xiàn)高效的信息預(yù)處理功能，對于手寫數(shù)字的識別率可從降噪前的46%提高到86%，通過界面工程調(diào)控，識別率進一步提升到90%（圖2e和2f）。最后，文中還展示了NeuVS在動態(tài)視頻識別中的應(yīng)用（圖3）。這項工作為構(gòu)建紫外超靈敏智能傳感和人工視覺系統(tǒng)提供了一種有效的策略。

圖3 使用基于BTBTT6-syn的突觸OPTs陣列進行運動檢測的示意圖

相關(guān)研究論文以“Tetrachromatic vision-inspired neuromorphic sensors with ultraweak ultraviolet detection”為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，論文第一作者為天津大學(xué)分子聚集態(tài)科學(xué)研究院碩士研究生蔣婷和南京郵電大學(xué)博士后王一如，共同通訊作者為紀德洋教授、凌海峰教授和田洪坤研究員。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-37973-0

審核編輯 ：李倩