傳統(tǒng)的人工智能視覺系統(tǒng)由于其各功能組件在物理上的分離導致了數(shù)據(jù)訪問的延遲以及相對較高的功耗。人類從外界獲取信息的途徑80%依賴于視覺，視網(wǎng)膜不僅可以探測到光刺激，并且可以進行初步的光信號處理，這種高效的視覺感知和認知學習過程啟發(fā)了未來人工視覺系統(tǒng)的發(fā)展。在此背景下，集傳感、記憶和處理功能于一體的神經(jīng)形態(tài)智能光電傳感器件已經(jīng)成為近年來的前沿研究熱點。

最新的研究表明神經(jīng)形態(tài)智能光電傳感器件有望從根本上解決當前人工視覺系統(tǒng)面臨的瓶頸性難題。然而，現(xiàn)有的智能光電傳感器件主要基于電荷俘獲/去俘獲的物理機制，存在著寫入非線性度大、非易失性差、材料硅基兼容性差等等問題，如何尋找新穎非易失光電物理效應以及如何設計高性能光電傳感器件仍是該領域面臨的難點。

為此，中國科學院物理研究所金奎娟研究員、葛琛副研究員團隊近期在Nature Communications上在線發(fā)表了題為“Photo-induced non-volatile VO2 phase transition for neuromorphic ultraviolet sensors”的研究論文，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，該器件展現(xiàn)出了良好的線性度、保持特性、硅基兼容性，研究團隊進一步構(gòu)建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡并演示了圖像識別等功能，文章發(fā)表后被Nature Communications編輯選為“Featured articles”。

圖1 紫外光輻照/電解質(zhì)門控實現(xiàn)了VO2的非易失性可逆調(diào)控 二氧化釩（VO2）是一種典型的強關(guān)聯(lián)氧化物，存在多種同分異構(gòu)相以及由于氧含量的細微差異導致的豐富VOx相，研究顯示通過電場、光場、壓力場等外場調(diào)控可以實現(xiàn)相與相之間轉(zhuǎn)換。研究團隊通過激光分子束外延方法生長了高質(zhì)量的VO2/Al2O3薄膜，將其制備成光電晶體管結(jié)構(gòu)并進行了光電測試。團隊發(fā)現(xiàn)VO2薄膜在紫外光輻照下發(fā)生了非易失變化，而在可見光照射下只有瞬態(tài)的光電響應。加大紫外光輻照劑量甚至可以誘導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)果表明了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光只產(chǎn)生瞬態(tài)的光電響應。在復位過程中，團隊提出了利用電解質(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，可以實現(xiàn)對其電導的可逆非易失性調(diào)控，進而設計了智能紫外光電傳感器件。

圖2 硅晶圓上生長的VO2薄膜器件性質(zhì) 此外，研究團隊在硅晶圓上通過磁控濺射技術(shù)生長了大面積VO2薄膜，并將其制備成神經(jīng)形態(tài)傳感器件陣列。通過隨機抽取其中100個器件進行測試，結(jié)果證明了薄膜展現(xiàn)出了良好的均勻性。在硅晶圓上生長的VO2薄膜具有與外延生長的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，說明了該新原理器件具有大規(guī)模集成潛力。進一步研究表明，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，這為將來應用打下了良好基礎。

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)絡進行圖像識別演示 研究團隊基于新型的VO2神經(jīng)形態(tài)光電傳感器件構(gòu)建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡并對標準的MNIST手寫數(shù)字圖像進行識別，該神經(jīng)形態(tài)紫外光電傳感器件可以對隨機引入RGB高斯噪聲的圖像進行預處理，并選擇性識別其中包含的紫外信息。對于包含RGB高斯噪聲的圖像，識別準確率僅達到24%。相比之下，利用基于VO2的神經(jīng)形態(tài)光電傳感器對紫外光信息進行預處理后，圖像的識別準確率達到93%，與原始MNIST的識別準確率相同。 本研究工作將傳統(tǒng)紅外光學材料VO2的應用拓展到了紫外智能光電傳感領域，為近傳感器計算/傳感器內(nèi)計算設計提供了新選擇。中國科學院物理研究所金奎娟研究員、葛琛副研究員是本論文的共同通訊作者，中國科學院物理研究所博士生李格和聯(lián)培碩士生解東港為共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院青促會等項目的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29456-5

審核編輯 ：李倩