AFM：混合维异质结的“光电视觉适应”

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适应是生命系统最普遍、最基本的特征，它使物种或个体具有独特的生存优势。特别是视觉适应，它能够使生物对现实世界具有更清晰的认识，进而避免潜在伤害，这对于生物体的生命活动至关重要。

在以往研究中，适应器件主要是基于逻辑门电路架构，它在大规模集成和多功能光电仿生方面仍面临巨大挑战。最近，混合维范德华异质结由于其具有高载流子迁移率、大比表面积、以及优异的光电特性，被认为是最具前景的器件架构之一，它为生物视觉适应的底层硬件实现提供了一个非常好的机会。

针对上述问题，中南大学物理与电子学院蒋杰、何军等人提出了一种基于零维CsPbBr₃/二维MoS₂混合维异质结晶体管的视觉适应器件，成功实现了一系列光电视觉适应性行为。相关工作近日以“Photoelectric Visual Adaptation Based on 0D-CsPbBr₃-quantum-dots/2D-MoS₂ Mixed-dimensional Heterojunction  Transistor”为题，于2021年2月在线发表于著名期刊Advanced Functional Materials上。其中，2019级博士研究生谢叮咚为论文第一作者，蒋杰副教授和何军教授为共同通讯作者，中南大学为第一完成单位。

视觉适应不仅能防止强光刺激的过度响应，还能在不断变化的环境下让视觉系统达到动态平衡（如图1所示）。

图1. 0D/2D混合维光电适应器件基本原理

有鉴于此，本文构建了一个基于零维CsPbBr₃超强光敏和二维MoS₂高速载流子输运的混合维异质结光电晶体管。有趣的是，研究人员发现，该新型光电器件显示出很强的视觉适应行为。进一步深入分析，这主要归因于混合维CsPbBr₃/MoS₂异质结空间电荷区的电荷捕获-脱陷行为（如图2所示）。

图2. CsPbBr₃/MoS₂适应器件工作原理及基本适应性测试

当无外在刺激时，器件处于初始状态。当其受到外在刺激时，器件会迅速呈现一个峰值依赖响应，这个过程的持续时间会很短。随后器件逐渐回归于新的平稳态，其在持续的过度刺激下会逐渐适应。研究发现，相比于无量子点异质结的传统器件结构，具有量子点器件的适应准确度高达80.7%，远大于无量子点器件仅仅7.7%的准确度。此外，该新型混合维CsPbBr₃/MoS₂适应器件的工作过程也非常类似于细胞膜内离子通道门控的时间依赖性自适应调节，分别对应于细胞膜的初始关闭，刺激开启，以及持续刺激下的逐渐适应行为（如图3所示）。

图3. 细胞膜适应过程及可调节的适应准确度

与此同时，研究人员通过对生物适应行为的研究，利用混合维CsPbBr₃/MoS₂异质结光电晶体管成功实现了可调的适应准确度，可控的适应敏感度，以及多模式下的适应转移（如图3，4所示）。

图4. 可控的适应敏感度及多模式下的适应转移

有意思的是，通过光电协同的方法，利用不同电压还可以灵活调控适应变化，研究人员发现不但可以实现适应特征反转，还可以实现基于可调环境阈值的经典视觉适应性行为（如图5所示）。

图5. 基于环境阈值可调的视觉适应

这些工作为视觉仿生的底层器件架构提供了一个新的思路。该研究获中南大学2019年度创新驱动计划等项目的大力支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202010655

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