香港理工&四川师大：铁电范德华异质结的多功能光电神经突触模拟人工视觉系统

研究背景

人工视觉系统作为人工智能的一个子学科,近年来得到了极大的发展，并在图像识别、自动驾驶等领域实现了广泛的应用。但是，目前的人工视觉系统多是由CCD或CMOS摄像机负责感知环境，再将转化后的电信号传入冯诺依曼架构的计算机进行图像处理。感知器和计算机的分离，计算机内部存储器与处理器的分离导致了信号的延迟，以及能耗的增加，这使得当前的人工视觉系统在处理高通量视觉信息时面临着严峻的挑战。人类的视觉系统在这方面表现出了独特的优势，视网膜在接受外界光刺激后就会对信息进行预处理，再将信号传递给大脑视觉皮层后，存储一体的大脑在处理信息时表现出了极高的效率和极低的能耗。因此，如何在单一电子器件中集成丰富的类似于人类视觉系统的功能是当前亟需解决的问题。目前，模仿人类行为的光电突触器件还处于起步阶段，多数研究还停留在模仿简单的神经突触行为，将人类视觉系统丰富的功能进行集成的报道还很少报道。

成果简介

近日，香港理工大学郝建华教授团队联合四川师范大学接文静研究员（共同通讯作者）报道了一种基于铁电α-In₂Se₃/GaSe 范德华异质结的新型光电突触器件，论文第一作者为香港理工大学博士生郭峰。该器件可在单一器件水平模仿完整的人工视觉系统。器件展示了丰富的突触光电行为以及视网膜不同波长光选择性的特点。另外，成功地实现了巴甫洛夫条件反射的光电模拟，表明了器件对于耦合光刺激与电刺激的能力。除了生物的突触行为，利用材料独特的铁电特性，类似于人脑的逻辑功能和信息存储功能被集成在光电突触器件中。人工神经网络模拟证明基于该器件的神经网络对于逻辑运算和图像识别都具有很高的准确率。该研究对于处理复杂视觉信息和简化当前冗余的人工视觉系统提供了新思路。相关成果以“Multifunctional Optoelectronic Synapse Based on Ferroelectric Van der Waals Heterostructure for Emulating the Entire Human Visual System”为题发表在Advanced Functional Materials。

图文解读

图一 材料器件表征

(a)(b)人工视觉系统与器件简图

(c)-(g)材料结构与铁电性能

(h)(i)材料PL谱

图二 器件电突触行为

(a)(b)电突触示意图与器件简图

(c) 器件的PPF行为

(d)-(f)器件的LTP/LTD 行为及其性能统计

图三 器件的光突触行为

(a)(b)视网膜感光原理与器件感光原理

(c)(d)PPF行为及其不同间隔时间统计

(e)不同数量光刺激对于器件长期记忆的影响

(f)-(k)器件对不同波长的选择性及其原理

图四 巴甫洛夫条件反射模拟

(a)电刺激模仿铃声

(b)光刺激模仿食物

(c)光电刺激共同作用

(d)实现条件反射

图五 器件的存储功能

(a)(b)面内铁电影响的I-V曲线及其机制

(c)-(f) 不同极化方向下，器件状态可在零偏压下由光脉冲无损读取

图六 器件的逻辑功能

(a)光电协同下的与门逻辑

(b)铁电异质结的I-V曲线

(c)(d)器件不同逻辑状态可由光刺激读取

(e)Crossbar结构示意图

(f)人工神经网络示意图

(g)人工神经网络模拟结果

总结

作者利用范德华异质结材料的铁电特性，实现了对于完整的人类视觉系统功能的模拟。除了常见的光电突触行为，以及成功地模仿巴甫洛夫条件反射，该工作进一步展示了将记忆功能与逻辑运算集成于单一的光电突触器件中。人工神经网络模拟结果也确认了该器件组成的神经网络的可靠性。实验结果表明该器件在处理复杂视觉信息领域具有很大的潜力。

文献链接：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）

作者简介

通讯作者

郝建华：香港理工大学应用物理学系材料物理与器件讲座教授 (Chair Professor)。教育部“长江学者”讲座教授，香港研资局高级研究学者，美国光学学会会士、英国物理学会会士和英国皇家化学会会士。主要从事功能薄膜和二维材料及器件，应用于光电子、生物医学的掺杂发光材料和纳米能源的研究。发表了国际杂志学术论文330余篇，包括近年来以通讯作者发表在国际著名期刊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.等论文。获得教育部自然科学奖、TechConnect全球创新奖、日内瓦国际发明特别优异奖和金奖、校长特设个人卓越成就奖等奖项。目前担任InfoMat（影响因子：25.405)杂志的副主编，Adv. Opt. Mater.等国际杂志的编委。（课题组网址：http://ap.polyu.edu.hk/apjhhao/）

通讯作者

接文静：四川师范大学，化学与材料科学学院，研究员。四川省特聘专家，四川省“杰出青年滚球体育 人才”入选者，四川省学术与技术带头人后备人选。主要从事二维材料的制备及其光电性能研究。目前已在Angew. Chem.,ACSNano, Adv. Funct. Mater., Nano Energy等国际高水平学术期刊发表学术论文50余篇。

第一作者

郭峰:香港理工大学应用物理学系在读博士生，导师郝建华教授。2013年获吉林大学微电子专业学士学位，2016年获吉林大学物理电子学硕士学位，主要研究兴趣为二维铁电压电材料，光电神经突触。