傳統(tǒng)的人工智能視覺(jué)系統(tǒng)各功能組件在物理上的分離，導(dǎo)致數(shù)據(jù)訪問(wèn)的延遲以及相對(duì)較高的功耗。人類從外界獲取信息的途徑約80%依賴于視覺(jué)，視網(wǎng)膜可以探測(cè)到光刺激，且可以進(jìn)行初步的光信號(hào)處理，這種高效的視覺(jué)感知和認(rèn)知學(xué)習(xí)過(guò)程啟發(fā)了未來(lái)人工視覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)展。在此背景下，集感知、存儲(chǔ)、計(jì)算功能于一體的神經(jīng)形態(tài)智能光電傳感器件已成為近年來(lái)的前沿研究熱點(diǎn)。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員金奎娟與中科院院士楊國(guó)楨帶領(lǐng)的L03組，致力于激光分子束外延方法制備功能氧化物薄膜、物態(tài)調(diào)控及器件應(yīng)用的研究。該課題組副研究員葛琛圍繞新型氧化物光電薄膜和智能光電傳感物理的基本科學(xué)問(wèn)題，探索開(kāi)展了氧化物神經(jīng)形態(tài)智能光電傳感器件研究(Nano Energy 89, 106439, 2021)。
近日，該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于紫外光輻照/電解質(zhì)調(diào)控VO2非易失相變的新型神經(jīng)形態(tài)光電傳感器，器件展現(xiàn)出良好的線性度、保持特性、硅基兼容性，構(gòu)建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并演示了圖像識(shí)別等功能。
二氧化釩(VO2)是典型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物，存在多種同分異構(gòu)相以及氧含量的細(xì)微差異導(dǎo)致的豐富VOx相，研究顯示通過(guò)電場(chǎng)、光場(chǎng)、壓力場(chǎng)等外場(chǎng)調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)相與相之間轉(zhuǎn)換?？蒲袌F(tuán)隊(duì)采用激光分子束外延方法生長(zhǎng)了高質(zhì)量的VO2/Al2O3薄膜，將其制備成光電晶體管結(jié)構(gòu)并進(jìn)行光電測(cè)試。
研究發(fā)現(xiàn)VO2薄膜在紫外光輻照下發(fā)生了非易失變化，而在可見(jiàn)光照射下只有瞬態(tài)的光電響應(yīng)。加大紫外光輻照劑量甚至可以誘導(dǎo)VO2非易失相變，由絕緣單斜相向金屬金紅石相轉(zhuǎn)變。系列表征結(jié)果表明，這主要由于紫外光輻照在VO2薄膜中產(chǎn)生了氧空位，而光子能量低于其氧空位激活能的可見(jiàn)光只產(chǎn)生瞬態(tài)的光電響應(yīng)。在復(fù)位過(guò)程中，基于團(tuán)隊(duì)此前在電解質(zhì)調(diào)控界面離子輸運(yùn)方向的研究【Adv. Mater. Inaterfaces 2, 1500407 (2015)；Adv. Mater. 30, 1801548 (2018)；Adv. Mater. 31, 1900379 (2019)；Adv. Funct. Mater. 29, 1902702 (2019)；Nano Energy 67, 104268 (2020)】，提出了利用電解質(zhì)門控的方法將氧離子插入到氧缺失薄膜的方案。因此，通紫外光輻照和電解質(zhì)調(diào)控VO2中氧的脫出/嵌入，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其電導(dǎo)的可逆非易失性調(diào)控，進(jìn)而設(shè)計(jì)了智能紫外光電傳感器件。
此外，科研團(tuán)隊(duì)在硅晶圓上通過(guò)磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)了大面積VO2薄膜，并將其制備成神經(jīng)形態(tài)傳感器件陣列。研究隨機(jī)抽取其中100個(gè)器件進(jìn)行測(cè)試，證明了薄膜展現(xiàn)出良好的均勻性。在硅晶圓上生長(zhǎng)的VO2薄膜具有與外延生長(zhǎng)的VO2薄膜類似的光致非易失相變特性和多態(tài)可逆調(diào)控特性，證明了該新原理器件具有大規(guī)模集成潛力。進(jìn)一步研究顯示，溝道電流非易失變化與紫外線照射劑量呈現(xiàn)近似線性的關(guān)系，這為未來(lái)的應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。近期，研究證明了VO2在柔性智能光電傳感器件應(yīng)用的可能性(Adanced Functional Materials)。
研究基于新型的VO2神經(jīng)形態(tài)光電傳感器件構(gòu)建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的MNIST手寫(xiě)數(shù)字圖像進(jìn)行識(shí)別，該神經(jīng)形態(tài)紫外光電傳感器件可以對(duì)隨機(jī)引入RGB高斯噪聲的圖像進(jìn)行預(yù)處理，并選擇性識(shí)別其中包含的紫外信息。對(duì)于包含RGB高斯噪聲的圖像，識(shí)別準(zhǔn)確率僅達(dá)到24%。相比之下，利用基于VO2的神經(jīng)形態(tài)光電傳感器對(duì)紫外光信息進(jìn)行預(yù)處理后，圖像的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到93%，與原始MNIST圖像的識(shí)別準(zhǔn)確率相同。
本研究將傳統(tǒng)紅外光學(xué)材料VO2的應(yīng)用拓展到紫外智能光電傳感領(lǐng)域，為近傳感器計(jì)算/傳感器內(nèi)計(jì)算設(shè)計(jì)提供了新選擇。相關(guān)研究成果以Photo-induced non-volatile VO2 phase transition for neuromorphic ultraviolet sensors為題，發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上，并被推薦為Featured Articles。此外，該成果被《自然-電子學(xué)》(Nature Electronics)以Vanadium dioxide remembers the light為題做了高亮報(bào)道(Research Highlights)。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的支持。
圖1.紫外光輻照/電解質(zhì)門控實(shí)現(xiàn)了VO2的非易失性可逆調(diào)控
圖2.硅晶圓上生長(zhǎng)的VO2薄膜器件性質(zhì)
圖3.基于VO2的神經(jīng)形態(tài)紫外光電傳感器件構(gòu)建的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像識(shí)別演示
原標(biāo)題：物理所實(shí)現(xiàn)光致VO2非易失相變及智能光電傳感應(yīng)用
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