以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
英文原题：Energy-Efficient ReS2 - Based Optoelectronic Synapse for 3D Object Reconstruction and Recognition
第一通讯作者：江天，国防科技大学
作者：Yabo Chen (陈亚博), Yujie Huang (黄钰杰), Junwei Zeng (曾俊炜), Yan Kang (康艳), Yinlong Tan (谭银龙), Xiangnan Xie (谢向男), Bo Wei (危波), Cheng Li (李成)*, Liang Fang (方粮), Tian Jiang (江天)*
背景介绍
利用光电突触器件构建的神经形态视觉系统(NVS)集感知、存储和处理于一体，能够避免数据在不同设备中反复搬运造成的高延迟和高能耗，有望突破传统视觉系统的瓶颈。目前，基于新材料的NVSs已经在图像对比度增强，图像去噪，特征提取，模式识别，运动检测，视觉自适应，多目标识别以及超快视觉等应用中展现出了极大的潜力。但现有针对平面图像信息进行处理的NVSs，因缺乏目标的深度信息而存在空间认知错误、解译精度低等问题。例如，器官的3D结构图像可用于医生更好地诊断疾病，而器官的平面图像可能导致误诊。此外，人脸支付或门禁系统存在被他人打印照片轻松攻破的漏洞，由于这些视觉系统通常由平面图像进行训练和验证。因此，更加安全可靠的3D-NVS是未来智能视觉系统发展的必然趋势。
文章亮点
受人类视觉系统“近大远小”的立体感知现象的启发，本工作提出了一种具有立体视觉的NVS，能够实现3D目标识别。该功能的实现得益于制备的节能 (12.12 fJ) ReS2光电突触器件。其展现出了优异的光学突触可塑性，包括波长依赖可塑性，功率依赖可塑性和频率依赖可塑性 (图1)。这些仿生功能依赖于ReS2在光照下展现出的持续光电导现象。作者通过DFT计算，验证了材料中的硫空位缺陷会延长光生载流子的复合时间，从而导致长时程的光电流弛豫。
图1. ReS2光电突触的功率依赖突触可塑性和频率依赖突触可塑性。
得益于波长依赖可塑性，ReS2突触能够对彩色信息进行分辨。研究发现，不同波长光照引起的电导变化存在明显的差异性，并且在撤光后器件电导依然能够保持这种差异性 (图2)，表明其能够对三原色进行区分，从而实现对目标的伪彩色平面成像。
图2. ReS2光电突触的波长依赖突触可塑性及伪彩色平面成像演示。
最为关键的是，作者通过设计真实场景下的立体感知实验，发现光电突触器件具有类似人类视觉系统“近大远小”的立体视觉特性。具体为，将突触器件与激光光源放在同一水平位置，对处于不同距离的物体施加光脉冲，实时记录器件的电导变化。结果表明，随着距离的提高，突触的响应电流逐渐减小。将突触的电导值线性映射为0-255的灰度值后，表现出“近明远暗”的特点 (图3)。这意味着光电突触将目标的距离以电导值的形式进行保存和区分。
图3. 人类视觉系统“近大远小”的视觉感知行为；ReS2光电突触展现的“近明远暗”特性。
最后，通过图像分类任务验证了基于ReS2突触的3D-NVS的功能。结果表明:其针对3D目标的识别准确率达到97.0%，远高于对2D目标的准确率(32.6%)。使得具有立体视觉的NVS能在移动终端、门禁系统，智能交通等应用中具有较强的抗2D照片欺骗能力。
图4. 基于ReS2光电突触的3D-NVS执行3D目标识别任务。
总结/展望
研究团队从ReS2材料的持续光电导效应出发，深入探索了器件的仿生特性。所制备的光电突触具有在可见光范围内的彩色平面成像和深度成像能力。利用其构建的NVS成功地实现了3D物体重建和识别。该研究将光电突触器件的感存一体优势扩展到3D视觉领域，为开发安全可靠的超低功耗3D-NVSs提供了一条新的途径。
相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，国防科技大学博士研究生陈亚博为文章的第一作者，硕士研究生黄钰杰为共同第一作者，李成助理研究员为共同通讯作者，江天研究员为通讯作者。
通讯作者简介
江天 研究员
国防科技大学研究员，博士生导师，入选国家级青年人才，担任中国物理学会光物理委员会委员、中国激光杂志社青年编辑委员会委员等。长期从事超快激光与物质相互作用、微波光子、智能感知器件和红外太赫兹功能器件方向研究。以第一作者或通信作者在Nature Communications、Advanced Martials、 Light:Science & Applications、ACS Nano、Advanced Functional Martials等国际高水平期刊发表论文50余篇，其中4篇进入ESI前1%、一篇进入前0.1%。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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