近紅外（NIR）光子探測(cè)與目標(biāo)識(shí)別是自動(dòng)駕駛、夜間監(jiān)控和戰(zhàn)術(shù)偵察等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全天候目標(biāo)識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)。然而，傳統(tǒng)近紅外探測(cè)系統(tǒng)受限于分立式架構(gòu)與馮·諾依曼瓶頸，普遍存在能效低、信號(hào)傳輸延遲大等問題。利用紅外敏感型易失性憶阻器構(gòu)建的人工感知神經(jīng)元，為實(shí)現(xiàn)低功耗實(shí)時(shí)高效處理的神經(jīng)形態(tài)紅外感知器件提供了新途徑。
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料人工智能研究中心王佳宏團(tuán)隊(duì)在光電憶阻器領(lǐng)域取得新突破，在材料學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上發(fā)表了題為"2D Vanadium Carbide/Oxide Heterostructure-Based Artificial Sensory Neuron for Multi-Color Near-Infrared Object Recognition"的研究論文。該研究通過拓?fù)浠瘜W(xué)轉(zhuǎn)化法開發(fā)出一種同時(shí)具備近紅外響應(yīng)特性和易失性電阻開關(guān)行為的二維碳化釩/氧化釩異質(zhì)結(jié)構(gòu)。基于該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的憶阻器不僅在數(shù)千次循環(huán)中表現(xiàn)出穩(wěn)定的閾值型電阻切換（RS）行為，而且具有近紅外光功率強(qiáng)度和波長(zhǎng)的閾值電壓調(diào)制能力，可以實(shí)現(xiàn)人工感知神經(jīng)元生物行為模擬。通過與YOLOv7算法結(jié)合構(gòu)建用于多波段紅外目標(biāo)識(shí)別的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），實(shí)現(xiàn)對(duì)FLIR數(shù)據(jù)集上多種目標(biāo)物體的檢測(cè)與識(shí)別（圖1）。
研究團(tuán)隊(duì)提出“新型紅外響應(yīng)光電憶阻器設(shè)計(jì)”新思路，工作亮點(diǎn)如下：
多功能界面融合二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)：通過對(duì)V2CTx進(jìn)行精確控制的溫和氧化拓?fù)浠瘜W(xué)轉(zhuǎn)化，成功合成了具有多功能界面融合的V2C/V2O5-x二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過金屬性的V2C與富含氧空位的介電材料V2O5-x相結(jié)合，利用V2O5-x和V中空位擴(kuò)散以及異質(zhì)結(jié)界面處的V-O鍵重排，實(shí)現(xiàn)了憶阻器閾值型易失性電阻開關(guān)能力與近紅外響應(yīng)特性（圖2）。
卓越的多色近紅外響應(yīng)易失性型憶阻器：V2C/V2O5-x憶阻器展現(xiàn)出穩(wěn)定的閾值型易失性特性，其轉(zhuǎn)變電壓的變異系數(shù)低至1.62%和1.7%。研究還發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)785nm至1550nm波段的近紅外光功率密度與波長(zhǎng)，可有效調(diào)控該憶阻器的閾值電壓，模擬生物神經(jīng)元的動(dòng)態(tài)行為（圖3）。
復(fù)雜駕駛場(chǎng)景中關(guān)鍵物體的精準(zhǔn)檢測(cè)與識(shí)別：將V2C/V2O5-x憶阻器構(gòu)建的人工感知神經(jīng)元系統(tǒng)結(jié)合YOLOv7算法模型構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在FLIR數(shù)據(jù)集上對(duì)智能駕駛場(chǎng)景中汽車和行人的平均識(shí)別準(zhǔn)確率可以達(dá)到87.7%和89.6%，展現(xiàn)出在復(fù)雜環(huán)境下的感知潛力（圖4）。
這項(xiàng)工作不僅提出了一種新型紅外響應(yīng)光電憶阻器設(shè)計(jì)思路，更展示了神經(jīng)形態(tài)計(jì)算與近紅外感知融合的可能性。這種融合架構(gòu)有望顯著提升邊緣計(jì)算設(shè)備的實(shí)時(shí)處理能力，為自動(dòng)駕駛、智能安防等領(lǐng)域提供更高效、低功耗的超視覺感知解決方案
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料人工智能研究中心王佳宏副研究員為論文唯一通訊作者，渠源多博士及郝夢(mèng)娣碩士研究生為論文共同第一作者。研究獲國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金杰青項(xiàng)目、深圳市科技計(jì)劃等項(xiàng)目支持。
圖1 | 基于二維碳化釩/氧化釩異質(zhì)結(jié)構(gòu)的人工感知神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)多色近紅外目標(biāo)識(shí)別示意圖。
圖2 | V2C/V2O5-x異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備示意圖和結(jié)構(gòu)表征
圖3 | Au/V2C/V2O5-x/ITO光電憶阻器的閾值轉(zhuǎn)換特性及近紅外光響應(yīng)能力
圖4 | 基于人工神經(jīng)元的紅外目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
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