中南大學Materials Horizons：偏振感知神經形態晶體管

【引言】

偏振是光的一個基本屬性，不僅能夠證明光的波動性，還可以用來揭示物體的一些隱藏特征，如介電常數，材料成分以及表面形貌等。最近，偏振光探測在成像、通信、生物醫學和軍事領域得到了廣泛應用，極大地改善了我們的生活質量。然而，目前的偏振探測系統仍面臨一些重要挑戰：首先，探測元件和偏振元件是物理分離的，導致了其大規模集成困難和系統運行速度緩慢。其次，由于所采用的元件仍是基于傳統的物理器件架構，從而導致系統面積大、能耗高、可重構性差。因此，探索具有偏振感知功能的新硬件架構對于下一代光電傳感系統的開發具有重要意義。

【成果簡介】

近日，中南大學物電院何軍教授、蔣杰副教授（共同通訊作者）等人提出了一種具有可重構各向異性視覺的新型偏振感知神經形態ReS₂光電晶體管。本文成功實現了一系列重要的偏振敏感神經行為，如偏振記憶鞏固和可重構視覺成像。特別地，在基于該器件人造復眼系統中成功實現了可調節的偏振響應度和二向色性比。更重要的是，本文還通過實驗初步論證了兩種先進的偏振感知應用：具有可重構自適應學習能力的偏振導航和三維視覺偏振成像。相關成果以“Polarization-perceptual anisotropic two-dimensional ReS₂ neuro-transistor with reconfigurable neuromorphic vision”發表在Materials Horizons上。該論文第一作者中南大學物電院2019級博士謝叮咚，銀愷副教授為共同第一作者。

【圖文導讀】

圖1 塊狀ReS₂角分辨偏振拉曼光譜特性。

(a) ReS₂光電晶體管示意圖。

(b) ReS₂器件光學圖像。

(c) 從ReS₂ AFM掃描中提取的ReS₂厚度信息。

(d, e) ReS₂角分辨偏振拉曼光譜測量。

(f-h) 三種不同拉曼光譜模式（E_g (f)、A_g-like (g)和E_g-like (h)）與角度依賴拉曼強度極坐標圖。

圖2 偏振記憶鞏固行為。

(a)基于ReS₂光電晶體管的偏振敏感光電探測系統示意圖。

(b)ReS₂光電晶體管在V_DS = 0.1V 固定偏壓下的轉移特性曲線。

(c)偏振依賴I_DS作為V_GS和偏振角的函數。

(d, e) V_GS固定為-10V (d)和-30V (e)下，從圖(c)提取出I_DS極坐標圖。

(f) ReS₂神經形態晶體管在偏振光照射下的EPSC響應。插圖：不同V_m情況下的突觸連接示意圖。

(g) ReS₂光電晶體管在最初狀態（左圖）、弱電場狀態（中圖）和強電場狀態（右圖）下的能帶示意圖。

圖3 可重構的視覺成像。

(a) 蜜蜂復眼放大示意圖。

(b) 基于ReS₂神經形態晶體管人工復眼示意圖。

(c, d) 不同V_m下EPSC_Ave極坐標圖，激光波長分別為552nm (c)和860nm (d)。

(e) R_max作為V_m的函數。

(f) 二向色性比作為V_m的函數。

(g) 二向色比作為刺激持續時間以及V_m的函數。

圖4 偏振導航。

(a) 蜜蜂在覓食和歸巢過程中偏振導航示意圖。

(b) 天空中O點的偏振模式示意圖。

(c) STDP主要信號通路示意圖。

(d, e) 不同偏振角度下的不對稱(d)和對稱(e) Hebbian 學習行為。

(f-i) 非對稱STDP測量參數擬合結果。

(j-m) 對稱STDP測量參數擬合結果。

圖5 三維視覺偏振成像。

(a) 一種新型三維偏振成像示意圖。

(b) 一種帶抑制和促進傳入突觸收斂的偏振計算原理圖。

(c) 不同偏振角度下EPSC振幅指數與峰值頻率的函數關系。

(d) 具有驅動偏振光輸入和調制偏振角輸入的神經元速率編碼示意圖。插圖：加法和乘法運算示意性。

(e) 不同偏振角下基于速率編碼方案的神經元I-O關系。

(f, g) 從圖(e)的線性擬合中提取其y軸截距(f)和斜率(g)。

【小結】

本文成功實現了具有可重構各向異性視覺的新型偏振感知神經形態晶體管。通過角度分辨偏振拉曼光譜測量以及理論時域有限差分計算，發現這些有趣的偏振行為主要歸因于二維ReS₂的各向異性。此外，一些重要的偏振神經功能被成功的模擬，如偏振記憶鞏固行為，可重構視覺成像，可調節偏振響應度以及二向色性比。更為重要的是，兩個有趣的偏振感知應用：可重構自適應學習能力的偏振導航和3D視覺偏振成像，得到了初步實驗論證。這種人工偏振感知器件為未來開發下一代智能光電感知系統開辟了新的途徑，如自主導航，生物啟發式醫學和人機交互等。

相關論文發表在Materials Horizons上，課題研究得到了湖南大學段輝高課題組，陜西師范大學李曉輝課題組，同單位的黃寒教授、楊中見教授等人的大力支持。

文獻鏈接：Polarization-perceptual Anisotropic Two-dimensional ReS₂ Neuro-transistor with Reconfigurable Neuromorphic Vision（Materials Horizons, DOI: https://doi.org/10.1039/D1MH02036F）。