科学家研发光电忆阻器，可用于制备神经形态计算芯片

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Bendi新闻

4月前

在 AI 时代，人类视觉系统的复杂性和高效性，为智能设备、自动驾驶、人工视觉等领域的研究提供了重要参考。

尤其是视网膜电子设备为实现神经形态视觉感知提供了理想的硬件平台。

光电忆阻器——集传感、记忆和处理等多功能于一体，被认为是构建新型神经形态视觉系统的理想候选器件。

然而，光/电混合信号的复杂操作仍然是大多数光电忆阻器实现器件电导可逆调制所需的，这不可避免地会增加器件运行的功耗。

对于高效图像处理而言，人们需要与生物视网膜功能相似的全光调制忆阻器。

为解决这个问题，吉林大学王晓峰教授和团队尝试采用生物材料叶绿素来制备光电忆阻器，并希望通过模拟生物的视觉功能，探索器件全光调控特性的实现方式以及生物某些视觉功能（边缘检测）的原理。

王晓峰表示：“研究从一开始就面临着各种困难。我的课题组不具备忆阻器件的测试设备，因此刚刚入学的一年级研究生蒋健最初比较抵触从事这一研究方向。”

一方面王晓峰鼓励他要坚持，另一方面还要努力寻找可以合作的单位。

幸运的是，当王晓峰第一次打电话给东北师范大学王中强教授寻求帮助的时候，后者痛快地答应了王晓峰的合作请求。

王晓峰说：“此后蒋健的试验在吉大和师大两边进行，他在一年当中去师大检测器件的次数超过 100 次，其中为了能够获得更好的数据，至少有 10 余次的试验是通宵完成的。”

当蒋健无意间检测出了叶绿素器件的全光调控突触特性，并且发现这一成果还没有相关报道的时候，他们感到所有的坚持都是值得的。

（来源：Advanced Functional Materials）

据介绍，本次制备的基于叶绿素的光电忆阻器，能够用于开发更先进的图像传感器和光电融合传感器，提升对不同光照条件下的感知能力，在自动驾驶领域具有一定潜在应用。

例如，它能提高图像的对比度和清晰度，从而增强自动驾驶系统对道路、行人和障碍物的识别能力。

此外，本次器件能够模拟突触行为，可用于构建神经形态计算芯片，实现高效的神经网络处理，适用于 AI 边缘计算和 AI 实时任务处理。

同时，本次器件的全光调控特性，让其能够用于开发新型的能源感知与存储设备。

例如，在太阳能电池中，它可能用于提高光电转换效率，或用于动态调节能量存储和释放过程。

除此之外，本次光电忆阻器的潜在应用不止于此。叶绿素作为一种天然生物材料对环境友好，可用于开发柔性、生物相容的光电忆阻器，从而能为该领域的潜在应用提供崭新视角。

日前，相关论文以《基于视网膜叶绿素异质结的全光调制突触可塑性光电阻抗器启用神经形态边缘检测》（Retina-Like Chlorophyll Heterojunction-Based Optoelectronic Memristor with All-Optically Modulated Synaptic Plasticity Enabling Neuromorphic Edge Detection）为题发在 Advanced Functional Materials[1]。

吉林大学硕士生蒋健是第一作者，王晓峰和王中强担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

对于本次论文，审稿人 1 评价称：“叶绿素衍生物异质结的设计灵感来源于植物的光合作用过程，对提高器件的光电性能和实现全光调制突触可塑性很有意义。”

审稿人 2 评价称：“这篇论文提出的全光调控光电忆阻器非常有趣，对于实现新一代神经形态视觉系统非常重要。”

审稿人 3 评价：“研究人员开发了一种能有效模拟视网膜双极细胞的人工器件，并展示了该器件在模仿生物双极细胞上的潜力”。

另据悉，课题组在探索过程中发现叶绿素材料在可见光波段范围的吸收上具有很大的差异性。

这尤其体现在红、蓝、绿光对应的三个波段，基于此制备的器件对应这三种波段的光响应电流也具有可区分性，因此这将为该团队后续模拟人类视网膜三色识别功能提供一定基础。

另外，生物眼睛的球状结构是获得更大视野范围的基础，而双眼在空间位置的细微差距会导致成像不同，这是生物实现立体感知的重要条件（即双目效应）。

为了更好地模拟上述功能，除了光电忆阻器需要具备全光调控的特性外，选取合适的柔性衬底是实现器件贴附于半球体的关键。

因此，他们还会致力于研究器件的光电性能、以及研究材料整体机械柔性之间的相互影响。

参考资料：

1.Jiang, J., Shan, X., Xu, J., Sun, Y., Xiang, T. F., Li, A., ... & Wang, X. F. (2024). Retina‐Like Chlorophyll Heterojunction‐Based Optoelectronic Memristor with All‐Optically Modulated Synaptic Plasticity Enabling Neuromorphic Edge Detection.Advanced Functional Materials, 2409677.

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