中科院半導體所&北科大Adv. Mater.：一種基于紫外光激發的憶阻器的柔性仿生人工視覺感知與存儲系統

引言

人體的視覺系統不僅能夠用來感知外界的光線信息，還能夠將感知到的信息存儲在大腦的神經系統中。對于人類視覺存儲系統的模擬，目前主要存在的挑戰是如何通過電子器件來探測與存儲光線。這需要多功能的集成器件來像人類的眼睛和大腦一樣同時感知光線和記憶感知到的光線信息，同時將外界的光信號轉換為電子器件可以識別的電學信號。近年來，科研工作者通過對圖像傳感器陣列的研究已經在模擬人體的視覺感知功能方面取得了重大的進展。然而，盡管當前的圖像傳感器實現了對于一些簡單圖形的識別能力，但是當外界光線消失時，感知到的圖形信息也隨即消失，無法實現對感知信息的存儲功能。為了彌補這種缺陷，實現對于人體視覺系統的仿生模擬，將圖像傳感器件與憶阻器件進行合理的集成將是一種有效的途徑。

成果簡介

為實現集成電子器件對于光線信息的探測和記憶功能，聯合團隊中的博士生陳帥和助理研究員婁正，合作開發出一種仿生的柔性人工視覺感知與存儲系統，通過紫外光激發憶阻器的開關狀態來模擬人類對于光線的感知與記憶功能。這種人工視覺存儲陣列能夠實現對于紫外光線構成的復雜圖形的探測和長期存儲能力，并且通過設定負向電壓能夠消除已經存儲的光線信息以實現有效的可重復使用性。該項工作得到了國家杰出青年科學基金、北京市自然科學基金以及中國科學院前沿科學重點研究項目等項目的支持。研究成果”An Artificial Flexible Visual Memory System Based on an UV-Motivated Memristor”近期發表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201705400）期刊上。

圖文導讀

圖1 基于電阻轉換式憶阻器與圖像傳感器的仿生視覺存儲系統

a) 人體視覺體統在觀測到蝴蝶時的感知與記憶功能簡圖；
b) 由圖像傳感器和憶阻器集成的仿生的視覺感知與記憶單元器件結構圖；
c) 在黑暗條件和350nm紫外光照射下的圖像傳感器的I-V特性曲線；
d) 電阻轉換式憶阻器的I-V特性曲線；
e) 在有無紫外光照射條件下的仿生視覺單元器件的I-V特性曲線；
f) 圖像傳感器和憶阻器之間電阻狀態的轉換功能示意圖。

圖2 有序的半導體微米線的直接打印及其光響應性能

a) 近場直寫系統示意圖；
b) 所打印的氧化銦（In₂O₃）半導體微米線(SMWs)陣列的光學圖像及其在煅燒前后的放大圖像。相鄰微米線之間的間距為20μm，比例尺為50μm；
c) 兩條平行分布的SMWs煅燒后的AFM圖像及截面分析；
d) 基于有序的In₂O₃ SMWs的圖像傳感器的制作流程圖；
e) 打印的單根SMW圖像傳感器在黑暗條件和不同紫外波長（光強均保持在0.528mW?cm^-2）條件下的I-V特性曲線；
f) 單根SMW圖像傳感器在黑暗條件和不同光強紫外光（350nm）下的I-V特性曲線；
g) 單根In₂O₃ SMW圖像傳感器在紫外光照射下的循環響應曲線；
h) 基于不同數目的In₂O₃ SMWs圖像傳感器在350nm紫外光照射下的I-V特性曲線；
i) 光電流與SMWs數目的線性關系；
j) 基于不同數目的In₂O₃ SMWs圖像傳感器的光電流與紫外光光強的線性關系。

圖3 紫外光激發視覺存儲單元工作的轉換特性

a) Al₂O₃憶阻層的AFM測試圖像和剖面分析；
b) Al₂O₃憶阻器的橫截面圖像的分層結構。比例尺50nm；
c) 在紫外光照射下，視覺存儲單元在高阻態和低阻態的光響應循環曲線；
d) 視覺存儲單元對于高低阻態的記憶保留時間特性；
e) 視覺存儲單元在多次轉換循環下的耐久性測試；
f) 對于多次轉換循環，存儲器件的開啟電壓和重置電壓的分布情況；
g) 視覺存儲器件的轉換機理分析示意圖。

圖4 柔性視覺存儲陣列的成像與存儲功能

a) 視覺感知與存儲器件對于圖形化紫外光線的探測與記憶示意圖；
b) 近場直寫技術在視覺存儲陣列上直接打印出有序的In₂O₃SMWs；
c,d) 在硬性襯底SiO₂和柔性聚酰亞胺襯底上的集成器件陣列的照片。比例尺1cm；
e) 柔性視覺存儲器件陣列對于外界圖像式光線的信息存儲與重置能力及其有效重復性。

小結

該系統集成了一種基于氧化銦半導體微米線陣列的圖像傳感器件與一種基于原子層沉積的氧化鋁阻變式憶阻器件。通過外界紫外光線的激發，圖像傳感器的電阻狀態將從高阻態（HRS）轉變為低阻態(LRS)。當其阻值降低到一定值，將使串聯的憶阻器件兩端的電壓達到憶阻器的開啟電壓，進而激發憶阻器從高阻態轉換為低阻態，這兩種狀態分別對應于邏輯電路中的off（1）和on（0）狀態。這樣，當外界的紫外光線消失時，雖然圖像傳感器件將恢復到初始狀態，但是其感知到的光線信息已經以二進制的形式被存儲在了憶阻器中。另外，通過擴展器件陣列的像素密度而組裝的10×10視覺存儲陣列器件，還能夠實現對于外界圖像式光線分布的感知與存儲功能。該人工系統展現出了長期的信息記憶功能，能夠穩定記憶長達一周以上。而且通過在憶阻器兩端施加一負向電壓還能夠擦除掉已經存儲的光線分布信息，并再次存儲其他圖像的光線分布信息，從而實現集成器件的可重復利用性。該項工作所設計的柔性的人工視覺系統在未來的可穿戴設備、電子眼、多功能機器人和視覺障礙者的輔助設備等方面具有極大的應用潛力，并為設計新型的柔性多功能傳感和存儲集成器件如觸覺記憶系統和聽覺記憶系統提供了新的思路。

文獻鏈接：An Artificial Flexible Visual Memory System Based on an UV-Motivated Memristor（Advanced Materials,2018,DOI: 10.1002/adma.201705400）

以上資料來自中科院半導體所沈國震老師課題組，特此感謝！

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