【儀表網 研發快訊】中國科學院大學光電學院教授孟祥悅團隊成功開發基于新型無鉛錫基鈣鈦礦的高分辨率神經形態成像傳感器技術，相關研究成果以“Suppression of Tin Oxidation via Sn→B Bonding Interactions for High-Resolution Lead-Free Perovskite Neuromorphic Imaging Sensors”為題發表在國際期刊Advanced Materials上。該工作創新性地引入Sn→B供體-受體鍵相互作用，有效抑制了Sn2+的氧化，顯著提升了薄膜均勻性并降低了缺陷密度，進而開發出集成感知、存儲與計算功能的神經形態成像陣列。該芯片通過模擬生物突觸工作機制，在像素級別實現信息處理，為新一代智能視覺系統打開全新可能。
在人工智能與仿生視覺技術快速發展的今天，傳統圖像傳感器正面臨算力瓶頸與高能耗挑戰，傳統CMOS/CCD傳感器僅能完成光信號轉換，需依賴外部處理器進行信息處理，導致高延遲與高能耗。受生物視覺系統啟發，神經形態成像傳感器通過“感-存-算一體化”設計突破傳統限制。錫基鈣鈦礦材料因其優異的光電性能和低溫溶液加工特性，一直是神經形態圖像傳感器領域的研究熱點。然而，錫離子(Sn2+)的過度氧化會導致材料性能下降，影響傳感器的分辨率和穩定性。為了解決這一問題，研究團隊創新性地采用了硼酸(BA)分子，通過供體-受體鍵合作用抑制了錫的氧化反應，從而提高了鈣鈦礦薄膜的均勻性，減少了非輻射復合損失，并提升了神經突觸的可塑性。錫(Sn2+)和硼酸分子中的硼(B)通過配位相互作用形成了一個供體-受體的化學鍵，穩定了Sn2+，將Sn2+氧化率降低27%，這種相互作用增強了鈣鈦礦薄膜的化學穩定性，同時改善了其光電性能。研究通過電化學測試、X射線光電子能譜(XPS)和紫外光譜(UV-Vis)等多種表征手段，結合DFT計算驗證了BA在抑制錫氧化方面的有效性，揭示硼原子空p軌道與錫孤對電子的鍵合機制。基于(4-Cl-PEA)?SnI?薄膜(無BA和加BA的兩種薄膜)的垂直型光電突觸設備顯示出較強的突觸可塑性，尤其是在光脈沖作用下表現出明顯的興奮性突觸電流(EPSC)行為。添加BA后，設備表現出更高的突觸塑性、更長的光電流衰減時間和更好的穩定性。
通過將該光電突觸器件與硅基集成電路結合，成功構建了一個高分辨率(32×32)的實時神經形態成像陣列芯片，這是鈣鈦礦光電突觸陣列中已報告的最高分辨率之一。與原始鈣鈦礦成像陣列相比，BA添加的陣列顯著減少了光響應非均勻性(PRNU)，提高了成像質量。光響應非均勻性(PRNU)從30.14%降至18.93%，圖像記憶時長延長了6倍(30秒清晰保持)。該神經形態成像陣列成功集成了感知、存儲和計算功能，能夠實現字母識別、記憶和處理，超越了傳統圖像傳感器的能力。
本研究通過分子鍵合工程解決了錫基鈣鈦礦的核心氧化難題，推動神經形態成像傳感器芯片向高分辨率、低功耗、環境友好方向邁進，為智能醫療、自動駕駛、具身智能視覺等場景提供顛覆性硬件支持。研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃以及中國科學院大學相關項目的支持。這一成果近期發表在Advanced Materials上，國科大博士研究生劉天華為第一作者是，國科大碩士研究生王浩、孫昌族為共同第一作者。國科大光電學院教授孟祥悅、副研究員吳瑋桐和蘇州大學教授李亮為通訊作者。
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