中南大学Materials Horizons：偏振感知神经形态晶体管

【引言】

偏振是光的一个基本属性，不仅能够证明光的波动性，还可以用来揭示物体的一些隐藏特征，如介电常数，材料成分以及表面形貌等。最近，偏振光探测在成像、通信、生物医学和军事领域得到了广泛应用，极大地改善了我们的生活质量。然而，目前的偏振探测系统仍面临一些重要挑战：首先，探测元件和偏振元件是物理分离的，导致了其大规模集成困难和系统运行速度缓慢。其次，由于所采用的元件仍是基于传统的物理器件架构，从而导致系统面积大、能耗高、可重构性差。因此，探索具有偏振感知功能的新硬件架构对于下一代光电传感系统的开发具有重要意义。

【成果简介】

近日，中南大学物电院何军教授、蒋杰副教授（共同通讯作者）等人提出了一种具有可重构各向异性视觉的新型偏振感知神经形态ReS₂光电晶体管。本文成功实现了一系列重要的偏振敏感神经行为，如偏振记忆巩固和可重构视觉成像。特别地，在基于该器件人造复眼系统中成功实现了可调节的偏振响应度和二向色性比。更重要的是，本文还通过实验初步论证了两种先进的偏振感知应用：具有可重构自适应学习能力的偏振导航和三维视觉偏振成像。相关成果以“Polarization-perceptual anisotropic two-dimensional ReS₂ neuro-transistor with reconfigurable neuromorphic vision”发表在Materials Horizons上。该论文第一作者中南大学物电院2019级博士谢叮咚，银恺副教授为共同第一作者。

【图文导读】

图1 块状ReS₂角分辨偏振拉曼光谱特性。

(a) ReS₂光电晶体管示意图。

(b) ReS₂器件光学图像。

(c) 从ReS₂ AFM扫描中提取的ReS₂厚度信息。

(d, e) ReS₂角分辨偏振拉曼光谱测量。

(f-h) 三种不同拉曼光谱模式（E_g (f)、A_g-like (g)和E_g-like (h)）与角度依赖拉曼强度极坐标图。

图2 偏振记忆巩固行为。

(a)基于ReS₂光电晶体管的偏振敏感光电探测系统示意图。

(b)ReS₂光电晶体管在V_DS = 0.1V 固定偏压下的转移特性曲线。

(c)偏振依赖I_DS作为V_GS和偏振角的函数。

(d, e) V_GS固定为-10V (d)和-30V (e)下，从图(c)提取出I_DS极坐标图。

(f) ReS₂神经形态晶体管在偏振光照射下的EPSC响应。插图：不同V_m情况下的突触连接示意图。

(g) ReS₂光电晶体管在最初状态（左图）、弱电场状态（中图）和强电场状态（右图）下的能带示意图。

图3 可重构的视觉成像。

(a) 蜜蜂复眼放大示意图。

(b) 基于ReS₂神经形态晶体管人工复眼示意图。

(c, d) 不同V_m下EPSC_Ave极坐标图，激光波长分别为552nm (c)和860nm (d)。

(e) R_max作为V_m的函数。

(f) 二向色性比作为V_m的函数。

(g) 二向色比作为刺激持续时间以及V_m的函数。

图4 偏振导航。

(a) 蜜蜂在觅食和归巢过程中偏振导航示意图。

(b) 天空中O点的偏振模式示意图。

(c) STDP主要信号通路示意图。

(d, e) 不同偏振角度下的不对称(d)和对称(e) Hebbian 学习行为。

(f-i) 非对称STDP测量参数拟合结果。

(j-m) 对称STDP测量参数拟合结果。

图5 三维视觉偏振成像。

(a) 一种新型三维偏振成像示意图。

(b) 一种带抑制和促进传入突触收敛的偏振计算原理图。

(c) 不同偏振角度下EPSC振幅指数与峰值频率的函数关系。

(d) 具有驱动偏振光输入和调制偏振角输入的神经元速率编码示意图。插图：加法和乘法运算示意性。

(e) 不同偏振角下基于速率编码方案的神经元I-O关系。

(f, g) 从图(e)的线性拟合中提取其y轴截距(f)和斜率(g)。

【小结】

本文成功实现了具有可重构各向异性视觉的新型偏振感知神经形态晶体管。通过角度分辨偏振拉曼光谱测量以及理论时域有限差分计算，发现这些有趣的偏振行为主要归因于二维ReS₂的各向异性。此外，一些重要的偏振神经功能被成功的模拟，如偏振记忆巩固行为，可重构视觉成像，可调节偏振响应度以及二向色性比。更为重要的是，两个有趣的偏振感知应用：可重构自适应学习能力的偏振导航和3D视觉偏振成像，得到了初步实验论证。这种人工偏振感知器件为未来开发下一代智能光电感知系统开辟了新的途径，如自主导航，生物启发式医学和人机交互等。

相关论文发表在Materials Horizons上，课题研究得到了湖南大学段辉高课题组，陕西师范大学李晓辉课题组，同单位的黄寒教授、杨中见教授等人的大力支持。

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