香港理工&四川師大：鐵電范德華異質結的多功能光電神經突觸模擬人工視覺系統

研究背景

人工視覺系統作為人工智能的一個子學科,近年來得到了極大的發展，并在圖像識別、自動駕駛等領域實現了廣泛的應用。但是，目前的人工視覺系統多是由CCD或CMOS攝像機負責感知環境，再將轉化后的電信號傳入馮諾依曼架構的計算機進行圖像處理。感知器和計算機的分離，計算機內部存儲器與處理器的分離導致了信號的延遲，以及能耗的增加，這使得當前的人工視覺系統在處理高通量視覺信息時面臨著嚴峻的挑戰。人類的視覺系統在這方面表現出了獨特的優勢，視網膜在接受外界光刺激后就會對信息進行預處理，再將信號傳遞給大腦視覺皮層后，存儲一體的大腦在處理信息時表現出了極高的效率和極低的能耗。因此，如何在單一電子器件中集成豐富的類似于人類視覺系統的功能是當前亟需解決的問題。目前，模仿人類行為的光電突觸器件還處于起步階段，多數研究還停留在模仿簡單的神經突觸行為，將人類視覺系統豐富的功能進行集成的報道還很少報道。

成果簡介

近日，香港理工大學郝建華教授團隊聯合四川師范大學接文靜研究員（共同通訊作者）報道了一種基于鐵電α-In₂Se₃/GaSe 范德華異質結的新型光電突觸器件，論文第一作者為香港理工大學博士生郭峰。該器件可在單一器件水平模仿完整的人工視覺系統。器件展示了豐富的突觸光電行為以及視網膜不同波長光選擇性的特點。另外，成功地實現了巴甫洛夫條件反射的光電模擬，表明了器件對于耦合光刺激與電刺激的能力。除了生物的突觸行為，利用材料獨特的鐵電特性，類似于人腦的邏輯功能和信息存儲功能被集成在光電突觸器件中。人工神經網絡模擬證明基于該器件的神經網絡對于邏輯運算和圖像識別都具有很高的準確率。該研究對于處理復雜視覺信息和簡化當前冗余的人工視覺系統提供了新思路。相關成果以“Multifunctional Optoelectronic Synapse Based on Ferroelectric Van der Waals Heterostructure for Emulating the Entire Human Visual System”為題發表在Advanced Functional Materials。

圖文解讀

圖一 材料器件表征

(a)(b)人工視覺系統與器件簡圖

(c)-(g)材料結構與鐵電性能

(h)(i)材料PL譜

圖二 器件電突觸行為

(a)(b)電突觸示意圖與器件簡圖

(c) 器件的PPF行為

(d)-(f)器件的LTP/LTD 行為及其性能統計

圖三 器件的光突觸行為

(a)(b)視網膜感光原理與器件感光原理

(c)(d)PPF行為及其不同間隔時間統計

(e)不同數量光刺激對于器件長期記憶的影響

(f)-(k)器件對不同波長的選擇性及其原理

圖四 巴甫洛夫條件反射模擬

(a)電刺激模仿鈴聲

(b)光刺激模仿食物

(c)光電刺激共同作用

(d)實現條件反射

圖五 器件的存儲功能

(a)(b)面內鐵電影響的I-V曲線及其機制

(c)-(f) 不同極化方向下，器件狀態可在零偏壓下由光脈沖無損讀取

圖六 器件的邏輯功能

(a)光電協同下的與門邏輯

(b)鐵電異質結的I-V曲線

(c)(d)器件不同邏輯狀態可由光刺激讀取

(e)Crossbar結構示意圖

(f)人工神經網絡示意圖

(g)人工神經網絡模擬結果

總結

作者利用范德華異質結材料的鐵電特性，實現了對于完整的人類視覺系統功能的模擬。除了常見的光電突觸行為，以及成功地模仿巴甫洛夫條件反射，該工作進一步展示了將記憶功能與邏輯運算集成于單一的光電突觸器件中。人工神經網絡模擬結果也確認了該器件組成的神經網絡的可靠性。實驗結果表明該器件在處理復雜視覺信息領域具有很大的潛力。

文獻鏈接：Multifunctional Optoelectronic Synapse Based on Ferroelectric Van der Waals Heterostructure for Emulating the Entire Human Visual System （Adv. Funct. Mater.,2021,DOI:?10.1002/adfm.202108014 ）

作者簡介

通訊作者

郝建華：香港理工大學應用物理學系材料物理與器件講座教授 (Chair Professor)。教育部“長江學者”講座教授，香港研資局高級研究學者，美國光學學會會士、英國物理學會會士和英國皇家化學會會士。主要從事功能薄膜和二維材料及器件，應用于光電子、生物醫學的摻雜發光材料和納米能源的研究。發表了國際雜志學術論文330余篇，包括近年來以通訊作者發表在國際著名期刊Nature Materials, Nature Commun., Adv. Mater., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev., Appl. Phys. Rev., Adv. Energy Mater., Nano Energy, ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Lett.?等論文。獲得教育部自然科學獎、TechConnect全球創新獎、日內瓦國際發明特別優異獎和金獎、校長特設個人卓越成就獎等獎項。目前擔任InfoMat（影響因子：25.405)雜志的副主編，Adv. Opt. Mater.?等國際雜志的編委。（課題組網址：http://ap.polyu.edu.hk/apjhhao/）

通訊作者

接文靜：?四川師范大學，化學與材料科學學院，研究員。四川省特聘專家，四川省“杰出青年科技人才”入選者，四川省學術與技術帶頭人后備人選。主要從事二維材料的制備及其光電性能研究。目前已在Angew. Chem., ACS?Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Energy等國際高水平學術期刊發表學術論文50余篇。

?第一作者

郭峰:?香港理工大學應用物理學系在讀博士生，導師郝建華教授。2013年獲吉林大學微電子專業學士學位，2016年獲吉林大學物理電子學碩士學位，主要研究興趣為二維鐵電壓電材料，光電神經突觸。