實(shí)現(xiàn)寬光譜感算一體智能器件

寬光譜探測(cè)和信息處理在地球遙感、環(huán)境監(jiān)測(cè)、無(wú)人駕駛等諸多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用需求。目前的寬光譜信息探測(cè)和信息處理分別由不同類型的圖像傳感器和數(shù)字圖像處理器完成，這使得傳統(tǒng)寬光譜機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)面臨著較大功耗和較高時(shí)間延遲的問(wèn)題。感算一體技術(shù)被認(rèn)為是解決上述挑戰(zhàn)的有效途徑，然而，如何設(shè)計(jì)出滿足上述需求的量子材料，并實(shí)現(xiàn)具備寬光譜多信息同步探測(cè)和處理功能的新型感算一體器件是一個(gè)廣受關(guān)注的議題。

針對(duì)上述問(wèn)題，華中科技大學(xué)翟天佑教授、周興副教授團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)繆峰教授、梁世軍副教授團(tuán)隊(duì)近日提出，通過(guò)利用電場(chǎng)調(diào)控二維雙極性范德華異質(zhì)結(jié)（PdSe2/MoTe2）的界面能帶匹配，實(shí)現(xiàn)了紫外到近紅外寬光譜范圍內(nèi)的光探測(cè)和電場(chǎng)可調(diào)的正負(fù)光響應(yīng)，在硬件層面實(shí)現(xiàn)了寬光譜圖像探測(cè)和卷積計(jì)算的同步進(jìn)行（如圖1所示），突破了傳統(tǒng)寬光譜機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中感算分離所產(chǎn)生的功耗與時(shí)間延遲瓶頸。相關(guān)研究成果以“Broadband convolution processing using band-alignment-tunable heterostructures”（基于可調(diào)能帶匹配異質(zhì)結(jié)的寬光譜卷積計(jì)算）為題于2022年4月25日發(fā)表在國(guó)際著名期刊Nature Electronics上。

華中科技大學(xué)材料學(xué)院博士生皮樂(lè)晶、南京大學(xué)物理學(xué)院博士生王鵬飛和梁世軍副教授為論文共同第一作者，華中科技大學(xué)材料學(xué)院周興副教授、翟天佑教授與南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰教授為論文的共同通訊作者。華中科技大學(xué)材料學(xué)院博士羅鵬、碩士生王浩云、博士生李東燕、碩士生李澤鑫、博士后陳萍等共同參與了該項(xiàng)研究工作。該研究成果得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

圖1感算一體器件同步進(jìn)行寬光譜傳感與卷積計(jì)算的示意圖

在這項(xiàng)工作中，合作團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了PdSe2/MoTe2二維雙極性范德華異質(zhì)結(jié)（如圖2所示），利用其界面能帶易被電場(chǎng)調(diào)控的特性，實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)界面能帶匹配類型在II型和III型之間的可逆轉(zhuǎn)換，異質(zhì)結(jié)在負(fù)柵壓下形成第II型能帶匹配，光照下形成的漂移電流對(duì)應(yīng)于正向的光伏電流，而在正柵壓下則會(huì)形成第III型能帶匹配，較大的隧穿勢(shì)壘阻止了載流子的漂移，光照下形成的擴(kuò)散電流對(duì)應(yīng)于負(fù)向的光伏電流。合作研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步展示PdSe2/MoTe2異質(zhì)結(jié)的正負(fù)光伏轉(zhuǎn)換特性存在于從紫外（365 nm）、可見(jiàn)（532 nm）到近紅外（980 nm）的寬波段中，顯示出器件具有寬光譜可重構(gòu)的正負(fù)光伏特性及超快的響應(yīng)速度（~0.4μs）。

圖2PdSe2/MoTe2異質(zhì)結(jié)在寬光譜范圍內(nèi)展現(xiàn)出柵壓可調(diào)的正負(fù)光伏特性

通過(guò)系統(tǒng)研究PdSe2/MoTe2異質(zhì)結(jié)在不同光功率和柵壓下的光響應(yīng)率，合作研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在不同波段下，器件具有連續(xù)電場(chǎng)可調(diào)的正負(fù)光響應(yīng)，而且光響應(yīng)率與光功率、柵壓之間在一定范圍內(nèi)均保持著優(yōu)異的線性依賴關(guān)系（圖3），這使得向量與矩陣之間的線性點(diǎn)乘運(yùn)算能夠被準(zhǔn)確映射到該物理過(guò)程中。因此，利用構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)的優(yōu)異線性響應(yīng)特征能夠?qū)崿F(xiàn)圖像信息的精確轉(zhuǎn)換和可重構(gòu)處理，及圖像識(shí)別訓(xùn)練過(guò)程中的權(quán)重精準(zhǔn)更新。

圖3PdSe2/MoTe2異質(zhì)結(jié)的正負(fù)光響應(yīng)與光功率、柵壓之間的線性依賴特征

通過(guò)將異質(zhì)結(jié)器件配置成不同的卷積核，合作團(tuán)隊(duì)對(duì)包含寬光譜信息的遙感圖片進(jìn)行了不同類型的卷積濾波處理（例如：遙感圖像的銳化、邊緣增強(qiáng)）（如圖4c-d所示）。進(jìn)一步，合作團(tuán)隊(duì)利用感算一體異質(zhì)結(jié)傳感器構(gòu)建了寬光譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)寬光譜圖像的精確識(shí)別。對(duì)于所展示的寬光譜字母圖像數(shù)據(jù)集（如圖4e所示），其每個(gè)像素對(duì)應(yīng)著不同波段以及不同光強(qiáng)的信息，基于器件的寬光譜可重構(gòu)正負(fù)光響應(yīng)特性，寬光譜感算一體的卷積網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)這種混合光強(qiáng)及波段信息的圖片同步進(jìn)行探測(cè)與計(jì)算，將不同波段的圖像特征信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。結(jié)合反向傳播訓(xùn)練方法，不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)訓(xùn)練以柵壓更新，僅經(jīng)過(guò)3個(gè)訓(xùn)練周期后，網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別準(zhǔn)確率便可接近100%。與之相比，單光譜卷積器件只能探測(cè)和處理圖像中特定波段的信息，為了實(shí)現(xiàn)寬光譜識(shí)別，需要利用多個(gè)特定的卷積核來(lái)探測(cè)不同波段的信息，然后再進(jìn)行整合處理，這種拆分圖像的分離波段探測(cè)處理方法不僅弱化了圖像中本征特征之間的聯(lián)系，增加了處理的數(shù)據(jù)量，而且使得訓(xùn)練速度和識(shí)別效果明顯弱于寬光譜卷積處理（如圖4f所示）。該工作為解決傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中寬光譜信息感算分離的問(wèn)題，及開(kāi)發(fā)適用于復(fù)雜模式識(shí)別任務(wù)的感算一體全硬件圖像識(shí)別系統(tǒng)提供了全新的思路。

圖4基于PdSe2/MoTe2異質(zhì)結(jié)器件實(shí)現(xiàn)的寬光譜卷積處理和高精度識(shí)別

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41928-022-00747-5

審核編輯 ：李倩