中科院半导体所&北科大Adv. Mater.：一种基于紫外光激发的忆阻器的柔性仿生人工视觉感知与存储系统

引言

人体的视觉系统不仅能够用来感知外界的光线信息，还能够将感知到的信息存储在大脑的神经系统中。对于人类视觉存储系统的模拟，目前主要存在的挑战是如何通过电子器件来探测与存储光线。这需要多功能的集成器件来像人类的眼睛和大脑一样同时感知光线和记忆感知到的光线信息，同时将外界的光信号转换为电子器件可以识别的电学信号。近年来，科研工作者通过对图像传感器阵列的研究已经在模拟人体的视觉感知功能方面取得了重大的进展。然而，尽管当前的图像传感器实现了对于一些简单图形的识别能力，但是当外界光线消失时，感知到的图形信息也随即消失，无法实现对感知信息的存储功能。为了弥补这种缺陷，实现对于人体视觉系统的仿生模拟，将图像传感器件与忆阻器件进行合理的集成将是一种有效的途径。

成果简介

为实现集成电子器件对于光线信息的探测和记忆功能，联合团队中的博士生陈帅和助理研究员娄正，合作开发出一种仿生的柔性人工视觉感知与存储系统，通过紫外光激发忆阻器的开关状态来模拟人类对于光线的感知与记忆功能。这种人工视觉存储阵列能够实现对于紫外光线构成的复杂图形的探测和长期存储能力，并且通过设定负向电压能够消除已经存储的光线信息以实现有效的可重复使用性。该项工作得到了国家杰出青年科学基金、北京市自然科学基金以及中国科学院前沿科学重点研究项目等项目的支持。研究成果”An Artificial Flexible Visual Memory System Based on an UV-Motivated Memristor”近期发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201705400）期刊上。

图文导读

图1 基于电阻转换式忆阻器与图像传感器的仿生视觉存储系统

a) 人体视觉体统在观测到蝴蝶时的感知与记忆功能简图；
b) 由图像传感器和忆阻器集成的仿生的视觉感知与记忆单元器件结构图；
c) 在黑暗条件和350nm紫外光照射下的图像传感器的I-V特性曲线；
d) 电阻转换式忆阻器的I-V特性曲线；
e) 在有无紫外光照射条件下的仿生视觉单元器件的I-V特性曲线；
f) 图像传感器和忆阻器之间电阻状态的转换功能示意图。

图2 有序的半导体微米线的直接打印及其光响应性能

a) 近场直写系统示意图；
b) 所打印的氧化铟（In₂O₃）半导体微米线(SMWs)阵列的光学图像及其在煅烧前后的放大图像。相邻微米线之间的间距为20μm，比例尺为50μm；
c) 两条平行分布的SMWs煅烧后的AFM图像及截面分析；
d) 基于有序的In₂O₃ SMWs的图像传感器的制作流程图；
e) 打印的单根SMW图像传感器在黑暗条件和不同紫外波长（光强均保持在0.528mW•cm^-2）条件下的I-V特性曲线；
f) 单根SMW图像传感器在黑暗条件和不同光强紫外光（350nm）下的I-V特性曲线；
g) 单根In₂O₃ SMW图像传感器在紫外光照射下的循环响应曲线；
h) 基于不同数目的In₂O₃ SMWs图像传感器在350nm紫外光照射下的I-V特性曲线；
i) 光电流与SMWs数目的线性关系；
j) 基于不同数目的In₂O₃ SMWs图像传感器的光电流与紫外光光强的线性关系。

图3 紫外光激发视觉存储单元工作的转换特性

a) Al₂O₃忆阻层的AFM测试图像和剖面分析；
b) Al₂O₃忆阻器的横截面图像的分层结构。比例尺50nm；
c) 在紫外光照射下，视觉存储单元在高阻态和低阻态的光响应循环曲线；
d) 视觉存储单元对于高低阻态的记忆保留时间特性；
e) 视觉存储单元在多次转换循环下的耐久性测试；
f) 对于多次转换循环，存储器件的开启电压和重置电压的分布情况；
g) 视觉存储器件的转换机理分析示意图。

图4 柔性视觉存储阵列的成像与存储功能

a) 视觉感知与存储器件对于图形化紫外光线的探测与记忆示意图；
b) 近场直写技术在视觉存储阵列上直接打印出有序的In₂O₃SMWs；
c,d) 在硬性衬底SiO₂和柔性聚酰亚胺衬底上的集成器件阵列的照片。比例尺1cm；
e) 柔性视觉存储器件阵列对于外界图像式光线的信息存储与重置能力及其有效重复性。

小结

该系统集成了一种基于氧化铟半导体微米线阵列的图像传感器件与一种基于原子层沉积的氧化铝阻变式忆阻器件。通过外界紫外光线的激发，图像传感器的电阻状态将从高阻态（HRS）转变为低阻态(LRS)。当其阻值降低到一定值，将使串联的忆阻器件两端的电压达到忆阻器的开启电压，进而激发忆阻器从高阻态转换为低阻态，这两种状态分别对应于逻辑电路中的off（1）和on（0）状态。这样，当外界的紫外光线消失时，虽然图像传感器件将恢复到初始状态，但是其感知到的光线信息已经以二进制的形式被存储在了忆阻器中。另外，通过扩展器件阵列的像素密度而组装的10×10视觉存储阵列器件，还能够实现对于外界图像式光线分布的感知与存储功能。该人工系统展现出了长期的信息记忆功能，能够稳定记忆长达一周以上。而且通过在忆阻器两端施加一负向电压还能够擦除掉已经存储的光线分布信息，并再次存储其他图像的光线分布信息，从而实现集成器件的可重复利用性。该项工作所设计的柔性的人工视觉系统在未来的可穿戴设备、电子眼、多功能机器人和视觉障碍者的辅助设备等方面具有极大的应用潜力，并为设计新型的柔性多功能传感和存储集成器件如触觉记忆系统和听觉记忆系统提供了新的思路。

文献链接：An Artificial Flexible Visual Memory System Based on an UV-Motivated Memristor（Advanced Materials,2018,DOI: 10.1002/adma.201705400）

以上资料来自中科院半导体所沈国震老师课题组，特此感谢！

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