人類視覺系統對不同亮度水平的適應性激發了光電神經形態設備的發展，但要模擬這些功能實現雙向光響應通常需要高工作電壓或高光照強度。

2024年11月30日，香港理工大學郝建華教授、浙江大學陳夢曉研究員和北京航空航天大學潘曹峰教授在國際頂級期刊Nature Communications發表題為《Ultraweak light-modulated heterostructure with bidirectional photoresponse for static and dynamic image perception》的研究論文，Xun Han和Juan Tao為論文共同第一作者，郝建華教授、陳夢曉研究員和潘曹峰教授為論文共同通訊作者。

郝建華，香港理工大學材料物理與器件講座教授，納米科技研究中心主任。在華中科技大學獲得學士、碩士和博士學位，2006年加入香港理工大學任教。他的鐵電發光研究極具開創性，享譽國際，他把鐵電調控概念引入至稀土發光領域，并開創了 “智能發光材料” 的概念。

郝建華教授的研究范疇包括金屬離子摻雜發光材料和器件，應用于光子學和生物醫學的多功能納米發光材料，應用于電子和光電子學的功能性薄膜、二維材料和異質結，以及清潔能源和傳感應用的智能及可持續材料。

陳夢曉，浙江大學生儀學院新百人計劃研究員。在東北大學獲學士學位，在中國科學院國家納米科學中心獲博士學位，隨后在新加坡南洋理工大學從事博士后研究。

陳夢曉研究員主要開展柔性電子中超適形傳感相關研究，包括材料特性研究和器件設計制備工作，已實現ZnO/Ga₂O₃微米線應變增強的日盲深紫外光探測，硅基異質結LED陣列應力分布成像，設計了三維超適形自供能觸覺傳感纖維網絡，成功完成應力傳感在半導體和柔性高分子材料基礎上的人機交互過程。

潘曹峰，北京航空航天大學藍天杰出二級教授，國家杰青。2005年在清華大學獲學士學位，2010年在清華大學獲博士學位，隨后，在美國佐治亞理工學院從事博士后研究。

潘曹峰教授圍繞傳統觸覺傳感器陣列集成度與分辨率低、無法兼顧高靈敏度與寬線性響應、柔性可延展性差等難題，提出通過調控低維半導體結構-界面-能帶來探測應力的思路，開展觸覺傳感全鏈條研究，成功構筑了人工智能機器觸覺，取得了多項重要進展。

在這里，作者提出了一種基于ZnO/CsPbBr₃異質結構的雙向神經形態圖像傳感器陣列（10×10像素），能夠進行超弱光刺激。

該設備通過ZnO通道中氧空位的電離和去離子表現出正負光電導性，可擴展到其他ZnO/鈣鈦礦和IGZO/鈣鈦礦異質結構。在2.0 V的低偏壓下工作，其在綠光（525 nm）和紫外光（365 nm）下實現突觸權重更新，光強度范圍低至45 nW/cm²至15.69 mW/cm²，模仿了基本突觸功能和視覺適應。

此外，它能夠執行多種圖像預處理任務，包括背景去噪和時空運動編碼，在模式識別中準確率達到92%，在運動聚類中準確率達到100%。

這種簡單的策略凸顯了智能視覺系統能夠在低電壓和黑暗條件下進行實時圖像處理的潛力。

圖1：bidir-ZC神經形態圖像傳感器陣列的設計和結構

圖2：bidir-ZC神經形態圖像傳感器陣列的光電導性和突觸行為

圖3：Neg-PC和Pos-PC行為的機制

圖4：bidir-ZC神經形態圖像傳感器陣列的成像和視覺適應

圖5：基于Pos-PC和Neg-PC行為的圖像去噪和運動物體感知

綜上，作者開發了一種基于氧化物半導體和鈣鈦礦形成的異質結的簡單方法來實現具有超弱光調制雙向光響應的陣列設備。基于ZnO/CsPbBr₃異質結的10×10陣列在紫外光和綠光刺激下表現出光誘導的Neg-PC增強、Neg-PC抑制以及Neg-PC到Pos-PC的轉化。

在這種簡單的兩端器件結構中，45 nW/cm²的超弱光強度和2.0 V的偏置電壓可以觸發Neg-PC效應。通過結合Neg-PC和Pos-PC特性，視覺適應在1.42 μW/cm²至1.31 mW/cm²的強度范圍內被實現。

此外，在陣列設備端進行了多種圖像處理過程，包括靜態圖像去噪和實時去噪動態圖像的運動感知。

該研究采用結合降維和基于密度的聚類算法的簡單無監督學習方法進行運動方向識別，顯示出高精度運動聚類和異常運動檢測的能力。

Han, X., Tao, J., Liang, Y. et al. Ultraweak light-modulated heterostructure with bidirectional photoresponse for static and dynamic image perception.?Nat. Commun., (2024).?