中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院教授孟祥悅團隊在無(wú)鉛鈣鈦礦神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Chelated tin halide perovskite for near-infrared neuromorphic imaging array enabling object recognition and motion perception”為題，發(fā)表于Nature Communications。該工作系統性地提出并驗證了一種全新無(wú)鉛鈣鈦礦神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器成像策略，實(shí)現了低能耗、強穩定性和近紅外（NIR）響應的光電突觸器件及陣列芯片，并成功實(shí)現了復雜環(huán)境下的高精度目標識別與運動(dòng)感知，在智能感知與類(lèi)腦計算領(lǐng)域具有重要應用前景。
當前，傳統圖像傳感器芯片（如CCD與CMOS等）已難以滿(mǎn)足人工智能、自動(dòng)駕駛等前沿應用對于感知-計算一體化、低延遲與低功耗的要求。受啟發(fā)于生物視覺(jué)系統的“感知—記憶—處理”協(xié)同機制，神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器逐漸成為新一代智能感知技術(shù)的研究熱點(diǎn)。本研究從生物視覺(jué)系統中汲取靈感，利用鈣鈦礦材料對光生電荷和離子的調控能力，制備了硬件級“光感知-記憶-決策”一體化的新型神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器。針對傳統鉛基鈣鈦礦存在的毒性問(wèn)題以及對近紅外響應范圍有限等挑戰，研究團隊創(chuàng )新性地引入了天然無(wú)毒的植物分子槲皮素（Quercetin）作為功能化配體，通過(guò)構建多位點(diǎn)螯合策略穩定無(wú)鉛錫鹵鈣鈦礦的晶體結構。該策略有效抑制了錫離子氧化與空位缺陷的生成，顯著(zhù)改善薄膜質(zhì)量與器件穩定性。在此基礎上，研究團隊發(fā)展出基于FASnI?-QR的近紅外光電突觸器件，展現出準線(xiàn)性時(shí)間響應、長(cháng)壽命光生電流衰減和低的能耗等優(yōu)異的突觸可塑性行為，成功模擬了短時(shí)記憶（STP）與長(cháng)時(shí)記憶（LTP）等關(guān)鍵神經(jīng)突觸特征。
通過(guò)構建3×3的陣列，團隊展示了光電突觸在硬件層面的神經(jīng)形態(tài)成像和圖像預處理能力，能夠從大量噪聲光輸入中提取關(guān)鍵圖像信息，并且模擬了記憶和遺忘的突觸行為，表現出優(yōu)異的去噪能力和記憶保持特性。進(jìn)一步，該神經(jīng)形態(tài)突觸器件在MNIST手寫(xiě)數字數據集的測試中表現出90.53%的識別準確率，顯著(zhù)優(yōu)于傳統器件的79.86%。此外，該器件在能耗方面亦表現出色，其單次突觸事件電能消耗低至3.84 fJ，接近生物突觸能耗水平（1–10 fJ），為構建低功耗、智能化圖像感知系統提供了新的思路。此外，器件在空氣中表現出良好的穩定性與抗光衰能力，進(jìn)一步增強了其在現實(shí)環(huán)境下的應用可行性。此外，團隊通過(guò)異質(zhì)集成技術(shù)構建了近紅外神經(jīng)形態(tài)圖像傳感器，實(shí)現了硬件級時(shí)空信息融合。在復雜環(huán)境（如煙霧、遮擋等）中，該陣列可實(shí)現目標識別、特征增強和運動(dòng)軌跡識別。有望用于自動(dòng)監控和自動(dòng)駕駛等人工智能領(lǐng)域。
本研究不僅為未來(lái)無(wú)鉛、綠色、高性能光電子器件的設計提供了理論依據和實(shí)驗基礎，也為構建下一代可集成的智能成像與感知系統提供了關(guān)鍵技術(shù)路徑。研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃以及中國科學(xué)院大學(xué)相關(guān)項目的支持。這一成果近期發(fā)表在Nature Communications上，國科大博士研究生劉天華、國科大碩士研究生袁子荃為共同第一作者，孟祥悅和香港理工大學(xué)教授柴揚為通訊作者。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59624-2
