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納米能源所魏迪研究員、王中林院士 Device：在單像素中實現多種離子信號傳輸的光化學離子電子學 - 可用于自驅動彩色三維成像

2024-10-14 來源：高分子科技

人工智能硬件的主要挑戰之一在于優化信息獲取、處理和能量消耗三者關系。現代深度學習任務越來越依賴于文本、圖像和視頻等非結構化數據，暴露了傳統馮諾依曼架構的局限性。受生物系統啟發的新型神經形態學裝置為了克服這一瓶頸提供了一種潛在方案。從生物視覺過程中學習，他們開發了一種光化學離子電子學器件，利用多種類型的離子作為光學信息的載體，集傳感，處理和記憶功能于單個像素中。該系統可以在一個像素內通過多種光觸發的化學反應來捕獲顏色信息并釋放出相應的離子信號，通過納米限域通道調節多種類型離子的傳輸。離子調制機制也是未來人機混合智能的潛在橋梁。此外，該系統還是自驅動，可打印，可共形的。單層離子電子學陣列可以不依賴復雜的人工神經網絡來進行顏色識別。結合神經輻射場算法，可以在不需要深度傳感器的情況下模擬和重建高保真的三維彩色圖像。

文章以“Photochemical iontronics with multitype ionic signal transmission at single pixel for self-driven color and tridimensional vision”為題發表于《Device》期刊。中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和魏迪研究員為共同通訊作者。

圖1.光化學離子電子學的設計和功能。(A)生物視覺過程和途徑。它詳細描述了人眼的結構及其與大腦的聯系。光線通過角膜和晶狀體進入眼睛，視神經以視覺-神經離子電流的形式傳輸經過處理的視覺信息。插圖突出顯示了負責檢測不同波長光(紅色，綠色和藍色)的棒狀細胞和錐狀細胞(L-cone，M-cone，S-cone) ，這些光產生多種信號傳輸到大腦用于視覺處理和記憶。(B)將光化學離子電子學的性能指標與最近的各種參考文獻進行比較的雷達圖示。淡黃色區域顯示定性指標的比較。“突觸反應”是指設備整合感知、記憶和處理功能的能力。“彩色視覺的實用性”表明設備識別顏色的能力。“三維重建”是指設備進行三維圖像重建的能力，“一致性”是指設備的靈活性。圖中的所有定性比較都是基于每個特性的功能程度進行的。(C)光化學離子電子學的示意圖，其在一個像素同時顯示多個離子電子信號傳輸，攜帶不同的光學信息(紅色，綠色，藍色)。(D)光化學離子電子學的掃描電鏡橫截面圖，標尺50微米。(E)從頂部和內部觀察的陽極氧化鋁(AAO)均勻納米限制通道的放大的掃描電鏡圖片，標尺500納米。這些通道對離子的可控輸送至關重要，有助于提高設備的高通量和多功能性能。

圖2.具有高通量離子電子信號的光化學突觸響應。(A)含有不同光化學反應中心的器件都具有光書寫(紫色區域)和電壓擦除(藍色區域)的特征光電壓，并且顯示需要長時間才能衰減到原始水平的長期記憶功能。(B)每個離子電子學器件的光電流響應。(C)每個離子電子學器件的響應時間，基于光電流接近穩定狀態時估計。(D)通過110個打印的光化學離子電子陣列（插圖）實現的高通量離子電子的光電壓信號。(E)三色光化學離子電子學中光波長調制的光電壓響應。虛線表示在700-400納米之間不同光波長下產生的光電壓。這說明了不同的光波長可觸發特定的光化學反應，輸出特征光響應電壓平臺。這些平臺允許根據電壓輸出來識別RGB的顏色。插圖顯示了具有波長區分能力的RGB配置器件示意圖。(F)相應的三色光化學離子電子學中光波長調制的光電流響應。虛線區間內表示所產生的光電流是光波長的分段線性函數。在每個分段范圍內，光電流隨波長呈線性增加。

圖3.光化學離子電子學的機理和離子動力學。(A)光化學反應耦合離子動力學的機制示意圖。(B)各離子電子學器件在1 mV s^-1處的特征循環伏安曲線。(C)曝光過程中表面的EDS元素映射和線性掃描曲線顯示離子分布動力學，標尺100 納米。(D) COMSOL 模擬了 AAO 納米通道中的離子動力學，描述了離子在光照后的運動和濃度變化。(E)離子傳輸后的Ag界面的表面形貌和Br、O、Ag的EDS元素映射，標尺500微米。

圖4.光學三色到離子的信息流用于自驅動應用。（A）柔性可共形的離子電子陣列的照片和用于三色識別的示意圖。(B)具有人眼和大腦功能的離子電子陣列的解碼圖像(三色字母“color”)。(C)從單像素離子電子學提取的原始和模擬重建的圖像樣本。(D)由人工神經網絡從離子攜帶的顏色信息中解碼的三維重建架構。（E-F）從現實物體中重建的三維彩色圖像的樣本。

總之，受生物視覺的啟發，他們開發了一種可打印的高通量、自驅動光化學離子電子學。它利用AAO中的納米限域通道和光觸發的鹵化銀氧化還原反應，能夠在單個像素上傳輸多類型的陰離子-電子信息。這種離子電子學可以實現特定的光電壓信號響應（Br^- 0.88V，Cl^- 0.7V，I^-0.3V），與Nernst方程預測的結果基本一致。AAO中的垂直的帶正電的納米限域通道確保了每種陰離子類型的獨立離子輸運，促進了準確的三色識別。我們的光化學離子電子學不需要外部偏壓，并且顯示了多型信號級聯的高光響應電壓（~22 V cm^-2）和離子光響應電流（~1125 μA cm^-2）。與之前的自驅動仿生眼相比，具有最大的電動勢。所有的離子電子信號，可以提供多種非揮發性狀態，在一個像素內實現多種神經形態功能，包括感知、處理和記憶各種光學信息。此外，利用打印技術可以在非平面、生物曲面和柔性表面上制造光化學離子電子學陣列，使其適合于模擬視錐細胞的功能。在演示中，他們設計了一種單層的離子電子視網膜陣列，能夠自驅動的三色識別，而不需要復雜的人工神經網絡。該設備還可以使用沒有深度傳感器的神經輻射場（NERF）來模擬和重建真實的高保真彩色圖像。這些進展為高效的視網膜移植和對真實世界的虛擬重建鋪平了道路，加速了未來數字醫療保健和人工智能應用的整合。

該工作是魏迪教授近期關于離子電子學研究的最新進展之一，其研究納米限域空間內離子動力學過程及離子-電子耦合關系，為新能源和類腦計算等前沿領域提供了全新研究范式。以離子為信號載體的離子電子學（Iontronics）是研究納米尺度下離子行為的交叉學科。魏迪教授課題組介紹請登錄http://iontronics.group/。課題組長期招聘博士后和科研助理，有意者歡迎登錄課題組網站聯系。

原文鏈接：Photochemical iontronics with multitype ionic signal transmission at single pixel for self-driven color and tridimensional vision

Puguang Peng, Penghui Shen, Han Qian, Jiajin Liu, Hui Lu, Yanyan Jiao, Feiyao Yang, Houfang Liu, Tianling Ren, Zhonglin Wang, Di Wei

Device, 2024

https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100574

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（責任編輯：xu）

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