研究背景
眼睛是人类感知的最重要器官,因为大脑中大约80%的知识和记忆是通过视觉获得的。当光信号被视网膜上的光感受器细胞检测到时,输入的光信号会被转换成电信号,并被预处理以过滤掉多余的视觉数据。对有效的光信息的提取在高效的物体识别过程中起着关键作用。受此启发,人们开发了光电记忆装置来模拟视网膜系统的工作过程。在这些人工视网膜装置中,光敏感层吸收不同波长的光并产生大量的光激子。
微调激子-电子耦合控制使光电器件不仅表现出非易失性记忆行为,还表现出多种突触可塑性,如兴奋性突触后电流(EPSC)、短期可塑性(STP) 和长期可塑性(LTP)。近年来,钙钛矿材料已被广泛用于光电晶体管和忆阻器。与传统的薄膜系统相比,钙钛矿纳米晶(PNC) 具有独特的物理化学特性,如可控的带隙和边缘位置,通过表面化学修饰实现表面功能化。其中, 立方相CsPbl3 PNC由于其大的吸收截面、理想的带隙和高热稳定性,作为许多光电设备中的光收集器受到广泛关注。然而,立方相CsPbl3仍然存在晶相稳定性差的问题,因为它在环境条件下很容易转化为黄色的非钙钛矿结构。因此,寻求一种可行的方法来制备稳定的基于CsPbl3 PNC的人工视网膜装置是至关重要的。
研究成果
可重构的光晶体管存储器在自适应视觉形态计算方面引起了相当大的关注,它将高效的传感、存储和处理功能集成到一个单一的设备上。然而,由于缺乏短期可塑性(STP) 和长期可塑性(LTP) 之间的全光控制过渡,开发可重构的光晶体管存储器仍然是一个挑战。 在此,西北工业大学黄维院士&南京邮电大学解令海、
凌海峰教授等人设计了一种空气稳定的Zr-CsPbl3 钙钛矿纳米晶(PNC) 为基础的光敏电阻存储器,能够实现宽带的光反应。受益于Zr-CsPbl3 PNCs对650和405 nm光的不同电子捕获能力,人工突触和非易失性存储器可以按需创建,并为特定目的在单个设备中快速重新配置。由于STP和LTP模式之间的光学可重构和波长感知操作,集成的蓝色特征提取和目标识别可以在一个同质的神经形态视觉传感器阵列中展示。这项工作为开发用于高效传感器内计算的包晶石光电晶体管提供了一条新途径。
研究亮点
1. 通过在CsPbl3 PNCs中引入Zr4+离子,有效地改善了相位稳定性,构建门控晶体管器件,作为人工突触和非易失性存储器。
2. 该装置对不同波长的光表现出20 ms的快速反应时间,构建了神经形态的视觉传感器阵列,模拟用于蓝色特征提取和目标识别。
图文导读
Figure 1. a) Schematic diagram of the phototransistor memory with perovskite PNC as nano-floating[1]gates. b) TEM images and c) XRD patterns of pristine CsPbI3 and Zr-CsPbI3 PNCs. d) The absorption spectra, PL spectra and e) the PL decay time of pristine CsPbI3 and Zr-CsPbI3 PNCs.
Figure 2. Programming and erasing characteristics of the perovskite PNC-based memory devices (VDS = −20 V, light intensity of 460 μW cm-2).
Figure 3. a) Wavelength-dependent reconfigurable STP-LTP behavior (VR=0.5 V, VDS=−20 V, , td=200 ms), the light intensity is 105 μWcm-2. b) Schematic of the secretion of melatonin in the nervous system. c) Mimicing the process of melatonin secretion related to sleep and wake-up when the human eyes are illuminated by light during the sleeping in dark condition.
Figure 4. Implementation of color information extraction using the neuromorphic vision sensor array.
Figure 5. a) Schematic of human visual perception system. b) Schematic of pre-processing of the image noise reduction utilizing the sensor array. c) Schematic of ANN consist of 400 input neurons (The input image can be divided into 20 ×20 input information for input neurons). d) The optical potentiation and electrical depression characteristics of Zr-CsPbI3 PNCs based device under repeated optical pulses (light intensity: 105 μW cm−2, td= 100 ms, Δt= 1.5 s, VR=0.5 V, VDS=−20 V) and negative gate pulses (VGS=−40 V, td= 1.5 s, Δt=1 s, VR=0.5 V, VDS=−20 V).e) Comparisons of the recognition accuracy of the pre-prepared images.
总结与展望
在这项工作中,作者开发了一种有效的掺杂策略来制备稳定的Zr-CsPbl3 PNCs,用于可重新配置的光敏电阻存储器。受益于Zr4+离子掺杂物的加入,晶格的形成能量增加,导致CsPbl3的卓越结构稳定性。Zr-CsPbl3 PNCs光电晶体管装置对蓝光敏感,只需改变光刺激的波长,就能在STP和LTP之间快速反复切换。由于同时和按需表达的STP和LTP模式,一个用于集成蓝色特征提取和目标识别的同质性神经形态视觉传感器阵列被证明。这些结果表明,这种可重新配置的光晶体管存储器是新兴视觉形态系统中传感器内计算的一个有前途的候选者。
文献链接
Reconfigurable Optoelectronic Synaptic Transistor with Stable Zr-CsPbI3 Nanocrystals for Visuomorphic Computing
http://dx.doi.org/10.1002/adma.202208497
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