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我院在站博士后廖付友论文在《Nature Electronics》发表

日期:2022/2/25 11:10:30 阅读:645
我院廖付友博士后在导师应用物理系柴扬教授的带领下研发出一种基于底栅光电晶体管阵列的仿生视觉适应传感器。近日,相关论文于Nature Electronics上发表,Nature 官网以研究亮点 (RESEARCH HIGHLIGHT) 形式报道了这一工作,其上写道:“适应各种光强度半导体的器件,或可用于自动驾驶汽车和工业生产线。”

该器件模拟了水平细胞和光接收细胞的结构,能够在大范围光照明下捕捉和感知场景;在不同照明条件下,具有视觉亮适应和暗适应的功能,通过局域化和动态的调节光灵敏度,实现视觉适应,有效感知范围达到 199dB。利用这款传感器,可在不借助大体积光学组件、以及复杂外围电路和后端信号处理的条件下,实现视觉适应功能和宽感知范围。


第一作者:廖付友
通讯作者:柴扬,Jong-Hyun Ahn
通讯单位:香港理工大学深圳研究院、香港理工大学、韩国延世大学


研究内容


1. 利用双层二硫化钼光电晶体管,成功的模拟了人眼视网膜的结构和视觉适应的功能,且具有较大的感知范围 (199 dB)。

2. 器件的暗电流会随着控制栅压的改变而发展改变,利用这一特性,可以实现生物感知领域著名的韦伯定律(Weber’s law)。

3. 根据外界光照条件,给器件施加特定的栅压,可以调节器件的光灵敏度。

4. 二硫化钼表面的陷阱态在栅压的控制下可以俘获或者释放电荷,从而实现电流随时间的增强或者降低,这模拟了生物细胞里面的激励和抑制现象,实现了亮适应和暗适应的功能。

5. 利用视觉传感器阵列,在不同的背景光条件,通过给阵列施加不同的栅压,无论是在弱背景光还是强背景光条件下,都可以实现图像对比度的增加。

6. 通过计算机仿真的方法,连接仿生视觉适应传感器阵列和人工神经网络构建一个机器视觉系统,证明了该仿生视觉适应传感器可以有效的提高图像识别效率。


图1 视网膜的视觉适应特性。a.人眼视觉系统,视网膜通过水平细胞和光接收细胞(视杆和视锥细胞)的共同作用可以适应不同的光照条件。b.韦伯定律:视觉阈值和背景光强度成正比。视网膜的暗适应c和亮适应d


图2 MoS2光电晶体管的光强依赖性特性。a.MoS2光电晶体管三维结构示意图。插图:单个器件的显微镜图片。b.器件在不同光照条件下的转移特性曲线图(660 nm)。c.器件的光电流在不同栅压下随光照强度的变化关系。d.器件的光灵敏度在不同栅压下随光照强度的变化关系。e.在光灵敏度为1时,栅压和光照强度的关系。f.在光灵敏度为1时,阈值电流和光照强度的关系


图3 MoS2光电晶体管的时间依赖性特性。a.器件电流在光强为60 mW cm-2条件下,固定栅压为-2 V时,随时间的变化关系。b.器件电流在光强为60 mW cm-2条件下,固定栅压为+4 V时,随时间的变化关系。c.电流改变比例(CCR) 随栅压的关系曲线。d.MoS2光电晶体管在不同栅压的下的能带结构图。e.器件在不同光照条件下施加不同栅压时,电流随时间的变化曲线


图4. MoS2光电晶体管阵列的暗适应和亮适应。a.用于暗适应测试的示意图,在暗背景光条件下 8 × 8 像素阵列识别一个低亮度的数字'8'图案。b.用于明亮适应测试的示意图,在强背景光条件下 8 × 8 像素阵列识别一个高亮度的数字'8'图案。暗适应 (c) 和亮适应 (d) 的时间过程。e.用于视觉适应的光电晶体管阵列和用于图像识别的 ANN 组成的一个机器视觉系统。f.上图:MNIST 图像“8”的暗适应模拟结果。下图:识别率随暗适应时间的关系。g.上图:MNIST 图像“8”的亮适应模拟结果。下图:亮适应的识别率随时间的关系


来源: https://www.nature.com/articles/s41928-022-00713-1)



廖付友博士2020年加入我院开展博士后科研工作,曾获国家奖学金2次,参加学术竞赛获得国家级奖项2次,省级奖项3次。目前已在Nature communications、Small、ACS Applied Electronic Materials 等国际知名期刊发表学术论文30余篇。博后期间获得中国博士后科学基金面上项目资助、2021年第四届光电材料与器件发展研讨会“科学探索奖”。

工作之余,廖博士将艰苦的博后科研生活改编成妙趣横生的段子,在深圳某开放麦俱乐部分享表演,成为那里受欢迎的脱口秀演员。平时风趣幽默的说话方式也给课题组的日常生活带了很多乐趣。对于未来的职业发展,廖博士表示,出站后将会加入华为,继续从事半导体器件与工艺方面的研发工作,希望自己这些年的研究经验可以继续在工业界发光发热。