仿生紫外近红外视觉系统实现高效人脸识别

融合感知与计算功能的神经形态视觉系统（NVS）是边缘智能的关键基石。然而，现有 implementations 普遍面临光谱选择性窄、缺乏波长可编程功能以及感知与处理架构分离等瓶颈。受美洲牛蛙视网膜色素上皮层宽光谱感知能力的启发，研究团队提出了一种基于二硒化锡（SnSe2）/有机半导体异质结的光子突触晶体管。该器件展现出独特的波长依赖性双重特性：在紫外（UV）光照下作为高灵敏度光电探测器运行，而在可见光和近红外（NIR）光照下则表现出可调的突触可塑性。这种波长依赖的可重构性得益于Type-II能带对齐、材料吸收特性及界面物理机制的工程化设计。此外，该器件在0.001 V的低工作电压下，每个突触事件的能耗低至17 fJ。通过利用器件的波长依赖性突触特性，研究进一步采用储层计算（RC）建立了集成感知-计算的NVS。得益于器件的预处理能力，该系统实现了约92.7%的人脸识别准确率，优于无预处理的情况。这项研究消除了对外部光学滤波和预处理电路的依赖，展示了高效波长可编程神经形态视觉在自主应用中的巨大潜力。

仿生灵感与器件结构设计

人类视网膜通过不同的光感受器通路处理可见光，而自然生物体则展现出更为复杂的光谱可编程能力。例如，美洲牛蛙具备宽光谱敏感性，能够感知可见光和近红外光，从而适应不同的视觉环境。这种波长可编程架构使生物体能够动态重构感官和计算通路，实现统一生物系统内的多模态感知。相比之下，当前的神经形态器件通常缺乏这种波长依赖的可重构性，且受限于冯·诺依曼瓶颈，导致延迟增加、能效低下。

二维（2D）材料因其可调的电子、光学和结构特性，为解决这些挑战提供了广阔前景。其中，二硒化锡（SnSe2）作为一种层状n型IV-VI族过渡金属硫族化合物（TMDC），具有高电子迁移率、从紫外到近红外的宽带吸收、强光-物质相互作用系数以及优异的环境稳定性。本研究开发了一种基于多层SnSe2和有机半导体二萘并[2,3-b:2',3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩（DNTT）异质结构的光子突触晶体管。该器件在紫外光照射下作为快速响应的光电探测器，而在可见光和近红外光照射下则切换至具有突触可塑性的模式。

波长依赖的突触行为与机制

SnSe2/DNTT异质结突触晶体管展示了明显的波长依赖性光电响应。在365 nm紫外光照射下，光电流迅速增加并在光照结束后迅速恢复，表现出典型的光电检测特性，具有高重现性。相反，在532–980 nm可见光至近红外光照射下，光电流在光照期间逐渐增加，并在光照结束后缓慢衰减，呈现出典型的突触行为。这些特征性的兴奋性突触后电流（EPSC）响应类似于生物兴奋性突触的行为。

通过改变光学脉冲参数，可以系统地调节突触可塑性。较短的光学脉冲触发较小的ΔEPSC并表现出更快的衰减，对应于短期可塑性（STP）。随着光学脉冲宽度的增加，ΔEPSC及相关衰减时间同时增加，反映了从STP向长期可塑性（LTP）的过渡。此外，通过调整光学脉冲的数量也可以有效控制突触可塑性。在紫外光脉冲参数下，调制效果不明显，表明紫外光主要引起光电导响应。

阵列集成与图像识别应用

为了展示波长依赖性光电响应行为，研究团队制造了一个4×4的SnSe2/DNTT异质结突触阵列。该阵列被设计为受生物启发的平台，用于波长依赖性图像传感和光学脉冲下的临时信号保持。在365 nm光照下，光电流迅速增加并在光照关闭后立即返回基线，显示出无记忆保持的瞬态光电检测行为，“L”形图案在光照停止后立即消失。这表明该器件在神经形态系统中具有紫外噪声滤波应用的巨大潜力。