科學家研發(fā)光電憶阻器，可用于制備神經(jīng)形態(tài)計算芯片
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在 AI 時代，人類視覺系統(tǒng)的復雜性和高效性，為智能設備、自動駕駛、人工視覺等領域的研究提供了重要參考。
尤其是視網(wǎng)膜電子設備為實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)視覺感知提供了理想的硬件平臺。
光電憶阻器——集傳感、記憶和處理等多功能于一體，被認為是構建新型神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)的理想候選器件。
然而，光/電混合信號的復雜操作仍然是大多數(shù)光電憶阻器實現(xiàn)器件電導可逆調制所需的，這不可避免地會增加器件運行的功耗。
對于高效圖像處理而言，人們需要與生物視網(wǎng)膜功能相似的全光調制憶阻器。
為解決這個問題，吉林大學王曉峰教授和團隊嘗試采用生物材料葉綠素來制備光電憶阻器，并希望通過模擬生物的視覺功能，探索器件全光調控特性的實現(xiàn)方式以及生物某些視覺功能（邊緣檢測）的原理。
王曉峰表示：“研究從一開始就面臨著各種困難。我的課題組不具備憶阻器件的測試設備，因此剛剛入學的一年級研究生蔣健最初比較抵觸從事這一研究方向?！?/span>
一方面王曉峰鼓勵他要堅持，另一方面還要努力尋找可以合作的單位。
幸運的是，當王曉峰第一次打電話給東北師范大學王中強教授尋求幫助的時候，后者痛快地答應了王曉峰的合作請求。
王曉峰說：“此后蔣健的試驗在吉大和師大兩邊進行，他在一年當中去師大檢測器件的次數(shù)超過 100 次，其中為了能夠獲得更好的數(shù)據(jù)，至少有 10 余次的試驗是通宵完成的。”
當蔣健無意間檢測出了葉綠素器件的全光調控突觸特性，并且發(fā)現(xiàn)這一成果還沒有相關報道的時候，他們感到所有的堅持都是值得的。
（來源：Advanced Functional Materials）據(jù)介紹，本次制備的基于葉綠素的光電憶阻器，能夠用于開發(fā)更先進的圖像傳感器和光電融合傳感器，提升對不同光照條件下的感知能力，在自動駕駛領域具有一定潛在應用。
例如，它能提高圖像的對比度和清晰度，從而增強自動駕駛系統(tǒng)對道路、行人和障礙物的識別能力。
此外，本次器件能夠模擬突觸行為，可用于構建神經(jīng)形態(tài)計算芯片，實現(xiàn)高效的神經(jīng)網(wǎng)絡處理，適用于 AI 邊緣計算和 AI 實時任務處理。
同時，本次器件的全光調控特性，讓其能夠用于開發(fā)新型的能源感知與存儲設備。
例如，在太陽能電池中，它可能用于提高光電轉換效率，或用于動態(tài)調節(jié)能量存儲和釋放過程。
除此之外，本次光電憶阻器的潛在應用不止于此。葉綠素作為一種天然生物材料對環(huán)境友好，可用于開發(fā)柔性、生物相容的光電憶阻器，從而能為該領域的潛在應用提供嶄新視角。
日前，相關論文以《基于視網(wǎng)膜葉綠素異質結的全光調制突觸可塑性光電阻抗器啟用神經(jīng)形態(tài)邊緣檢測》（Retina-Like Chlorophyll Heterojunction-Based Optoelectronic Memristor with All-Optically Modulated Synaptic Plasticity Enabling Neuromorphic Edge Detection）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials[1]。
吉林大學碩士生蔣健是第一作者，王曉峰和王中強擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Functional Materials）對于本次論文，審稿人 1 評價稱：“葉綠素衍生物異質結的設計靈感來源于植物的光合作用過程，對提高器件的光電性能和實現(xiàn)全光調制突觸可塑性很有意義?！?/span>
審稿人 2 評價稱：“這篇論文提出的全光調控光電憶阻器非常有趣，對于實現(xiàn)新一代神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)非常重要?！?/span>
審稿人 3 評價：“研究人員開發(fā)了一種能有效模擬視網(wǎng)膜雙極細胞的人工器件，并展示了該器件在模仿生物雙極細胞上的潛力”。
另據(jù)悉，課題組在探索過程中發(fā)現(xiàn)葉綠素材料在可見光波段范圍的吸收上具有很大的差異性。
這尤其體現(xiàn)在紅、藍、綠光對應的三個波段，基于此制備的器件對應這三種波段的光響應電流也具有可區(qū)分性，因此這將為該團隊后續(xù)模擬人類視網(wǎng)膜三色識別功能提供一定基礎。
另外，生物眼睛的球狀結構是獲得更大視野范圍的基礎，而雙眼在空間位置的細微差距會導致成像不同，這是生物實現(xiàn)立體感知的重要條件（即雙目效應）。
為了更好地模擬上述功能，除了光電憶阻器需要具備全光調控的特性外，選取合適的柔性襯底是實現(xiàn)器件貼附于半球體的關鍵。
因此，他們還會致力于研究器件的光電性能、以及研究材料整體機械柔性之間的相互影響。
參考資料：
1.Jiang, J., Shan, X., Xu, J., Sun, Y., Xiang, T. F., Li, A., ... & Wang, X. F. (2024). Retina‐Like Chlorophyll Heterojunction‐Based Optoelectronic Memristor with All‐Optically Modulated Synaptic Plasticity Enabling Neuromorphic Edge Detection.Advanced Functional Materials, 2409677.
運營/排版：何晨龍
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