【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院教授孟祥悅團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)基于新型無鉛錫基鈣鈦礦的高分辨率神經(jīng)形態(tài)成像傳感器技術(shù)，相關(guān)研究成果以“Suppression of Tin Oxidation via Sn→B Bonding Interactions for High-Resolution Lead-Free Perovskite Neuromorphic Imaging Sensors”為題發(fā)表在國際期刊Advanced Materials上。該工作創(chuàng)新性地引入Sn→B供體-受體鍵相互作用，有效抑制了Sn2+的氧化，顯著提升了薄膜均勻性并降低了缺陷密度，進(jìn)而開發(fā)出集成感知、存儲與計(jì)算功能的神經(jīng)形態(tài)成像陣列。該芯片通過模擬生物突觸工作機(jī)制，在像素級別實(shí)現(xiàn)信息處理，為新一代智能視覺系統(tǒng)打開全新可能。
 

　　在人工智能與仿生視覺技術(shù)快速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)圖像傳感器正面臨算力瓶頸與高能耗挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)CMOS/CCD傳感器僅能完成光信號轉(zhuǎn)換，需依賴外部處理器進(jìn)行信息處理，導(dǎo)致高延遲與高能耗。受生物視覺系統(tǒng)啟發(fā)，神經(jīng)形態(tài)成像傳感器通過“感-存-算一體化”設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)限制。錫基鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的光電性能和低溫溶液加工特性，一直是神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，錫離子(Sn2+)的過度氧化會導(dǎo)致材料性能下降，影響傳感器的分辨率和穩(wěn)定性。為了解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用了硼酸(BA)分子，通過供體-受體鍵合作用抑制了錫的氧化反應(yīng)，從而提高了鈣鈦礦薄膜的均勻性，減少了非輻射復(fù)合損失，并提升了神經(jīng)突觸的可塑性。錫(Sn2+)和硼酸分子中的硼(B)通過配位相互作用形成了一個供體-受體的化學(xué)鍵，穩(wěn)定了Sn2+，將Sn2+氧化率降低27%，這種相互作用增強(qiáng)了鈣鈦礦薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性，同時改善了其光電性能。研究通過電化學(xué)測試、X射線光電子能譜(XPS)和紫外光譜(UV-Vis)等多種表征手段，結(jié)合DFT計(jì)算驗(yàn)證了BA在抑制錫氧化方面的有效性，揭示硼原子空p軌道與錫孤對電子的鍵合機(jī)制。基于(4-Cl-PEA)?SnI?薄膜(無BA和加BA的兩種薄膜)的垂直型光電突觸設(shè)備顯示出較強(qiáng)的突觸可塑性，尤其是在光脈沖作用下表現(xiàn)出明顯的興奮性突觸電流(EPSC)行為。添加BA后，設(shè)備表現(xiàn)出更高的突觸塑性、更長的光電流衰減時間和更好的穩(wěn)定性。
 

　　通過將該光電突觸器件與硅基集成電路結(jié)合，成功構(gòu)建了一個高分辨率(32×32)的實(shí)時神經(jīng)形態(tài)成像陣列芯片，這是鈣鈦礦光電突觸陣列中已報(bào)告的最高分辨率之一。與原始鈣鈦礦成像陣列相比，BA添加的陣列顯著減少了光響應(yīng)非均勻性(PRNU)，提高了成像質(zhì)量。光響應(yīng)非均勻性(PRNU)從30.14%降至18.93%，圖像記憶時長延長了6倍(30秒清晰保持)。該神經(jīng)形態(tài)成像陣列成功集成了感知、存儲和計(jì)算功能，能夠?qū)崿F(xiàn)字母識別、記憶和處理，超越了傳統(tǒng)圖像傳感器的能力。
 

　　本研究通過分子鍵合工程解決了錫基鈣鈦礦的核心氧化難題，推動神經(jīng)形態(tài)成像傳感器芯片向高分辨率、低功耗、環(huán)境友好方向邁進(jìn)，為智能醫(yī)療、自動駕駛、具身智能視覺等場景提供顛覆性硬件支持。研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中國科學(xué)院大學(xué)相關(guān)項(xiàng)目的支持。這一成果近期發(fā)表在Advanced Materials上，國科大博士研究生劉天華為第一作者是，國科大碩士研究生王浩、孫昌族為共同第一作者。國科大光電學(xué)院教授孟祥悅、副研究員吳瑋桐和蘇州大學(xué)教授李亮為通訊作者。