【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院大學光電學院教授孟祥悅團隊在無鉛鈣鈦礦神經形態圖像傳感器方面取得重要進展，相關研究成果以“Chelated tin halide perovskite for near-infrared neuromorphic imaging array enabling object recognition and motion perception”為題，發表于Nature Communications。該工作系統性地提出并驗證了一種全新無鉛鈣鈦礦神經形態圖像傳感器成像策略，實現了低能耗、強穩定性和近紅外(NIR)響應的光電突觸器件及陣列芯片，并成功實現了復雜環境下的高精度目標識別與運動感知，在智能感知與類腦計算領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)已難以滿足人工智能、自動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。受啟發于生物視覺系統的“感知—記憶—處理”協同機制，神經形態圖像傳感器逐漸成為新一代智能感知技術的研究熱點。本研究從生物視覺系統中汲取靈感，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”一體化的新型神經形態圖像傳感器。針對傳統鉛基鈣鈦礦存在的毒性問題以及對近紅外響應范圍有限等挑戰，研究團隊創新性地引入了天然無毒的植物分子槲皮素(Quercetin)作為功能化配體，通過構建多位點螯合策略穩定無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，顯著改善薄膜質量與器件穩定性。在此基礎上，研究團隊發展出基于FASnI?-QR的近紅外光電突觸器件，展現出準線性時間響應、長壽命光生電流衰減和低的能耗等優異的突觸可塑性行為，成功模擬了短時記憶(STP)與長時記憶(LTP)等關鍵神經突觸特征。
通過構建3×3的陣列，團隊展示了光電突觸在硬件層面的神經形態成像和圖像預處理能力，能夠從大量噪聲光輸入中提取關鍵圖像信息，并且模擬了記憶和遺忘的突觸行為，表現出優異的去噪能力和記憶保持特性。進一步，該神經形態突觸器件在MNIST手寫數字數據集的測試中表現出90.53%的識別準確率，顯著優于傳統器件的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，進一步增強了其在現實環境下的應用可行性。此外，團隊通過異質集成技術構建了近紅外神經形態圖像傳感器，實現了硬件級時空信息融合。在復雜環境(如煙霧、遮擋等)中，該陣列可實現目標識別、特征增強和運動軌跡識別。有望用于自動監控和自動駕駛等人工智能領域。
本研究不僅為未來無鉛、綠色、高性能光電子器件的設計提供了理論依據和實驗基礎，也為構建下一代可集成的智能成像與感知系統提供了關鍵技術路徑。研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃以及中國科學院大學相關項目的支持。這一成果近期發表在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教授柴揚為通訊作者。
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