前沿进展 | 类人眼自适应行为的近红外光电晶体管

导读

眼睛是人最重要的感知器官，我们所接收到80%的信息都是通过人眼获得。人眼具有在从暗到亮的环境变化中精确感知光信号的能力，这主要归功于视网膜上的光感受器细胞(包括视杆细胞和视锥细胞)。在昏暗的环境中，视杆细胞细胞具有高光敏性，视锥细胞则相反。人眼的视觉感知能力会根据环境的亮暗情况随着时间的推移而增强或抑制。前者称为光暗适应，后者称为光亮适应。

研究背景

在诸多高科技领域，如机器人和自动驾驶领域，具有光学环境适应性的仿生人工视觉感知装置具有广阔的应用前景。传统的自适应传感芯片通常需要复杂的算法以及读出电路，存在着器件复杂度、效率和成本方面的不足。因此，模仿生物视觉系统且具有片上自适应功能的光电探测器受到了学界的广泛关注，成为重要的发展方向。但目前为止大多数报道的环境适应性光电探测器只专注于可见光的感知。而机器视觉应该覆盖到具有比人眼感知能力更宽广的波长范围的光信息。这既是自动驾驶等应用的现实需求，也是人工光感知芯片应有的优势。

研究亮点

研究人员提出了一种具有良好光照适应性的近红外光电晶体管。光电晶体管使用垂直堆叠的石墨烯/硫化铅量子点/石墨烯异质结作为导电通道（图1）。与传统的硫化铅/石墨烯光电晶体管相比，垂直结构光电晶体管表现出更快的光响应速度和反常的传输曲线特性。后者的产生是由异质结中栅压可调控的费米能级以及量子点薄膜中丰富的电子缺陷态共同导致，进而表现为光响应对栅极电压的强烈依赖。栅压作用导致量子点薄膜中电子的动态捕获和解捕，从而使光响应得到抑制或增强。通过采用适当的栅压分别实现了光暗自适应和光亮自适应功能，并以此为基础成功地模仿了人类视网膜的光适应行为。

图1 垂直器件结构示意图

图2(a)显示了在1064 nm光照下不同入射光功率密度下的转移曲线，随着光功率的增加，转移曲线向下移动，形成负光电导效应（NPC）。其原因如图2(b)所示。由于PbS量子点中存在丰富的电子陷阱态，是很好的电子存储层,从器件的循环转移曲线中看到有一个较大的迟滞。因此，光生电子会被束缚在PbS量子点薄膜中，并静电排斥来自石墨烯的电子注入，导致导带的电子密度降低，因此电导降低。此外，有趣的是，在V_G范围内的NPC是不均匀的，例如，在小的辐照度下，负V_G的电流变化要比正V_G大得多。预示着通过V_G可以调节器件的光响应。原因可以通过右图来解释。当V_G越负时，PbS中的费米能级会降低，从而在禁带中暴露出更多的电子阱态。已知器件中丰富的陷阱态是导致负光电导的原因，PbS中电子阱态密度越高，器件的NPC越大。

图2 Graphene/PbS QDs/Graphene垂直器件的光电性能测试。(a)不同光照强度下的输出曲线循环；(b) PbS QDs/Graphene异质结在光照下的能带图

为了评估垂直器件模拟人眼暗视和光适应性的能力，研究人员分别在明亮(37.9 mW/cm²)和昏暗(94.5 μW/cm²)光照下比较了不同V_G下随时间变化的动态光电流。在这里，定义了随时间变化的适应指数(AI_t)来量化适应程度。AI_t>1表示光电流增强效应，AI_t<1表示光电流抑制效应。自适应系数随V_G的变化如图3所示。结果表明，垂直器件光电流的增强和抑制特性对V_G有很强的依赖性。在上述结果基础上，通过精心选择不同近红外辐照度下的V_G，模拟了人眼的视觉适应功能，如图4所示。监测了100 s时间内的自适应光电流的动态特性。在光照强度比较亮时30.6 mW/cm²，施加V_G电压为-30 V，实现了光亮自适应，进一步降低辐照度需要器件的光暗适应性，这可以通过施加正V_G来实现。

图3 垂直器件在弱光94.5 μmW/cm² 和强光37.9 mW/cm² 下的自适应系数AI_7s随V_G的变化曲线

图4 垂直器件的光强自适应性能。器件在100 s范围的光亮适应性（向左）和光暗适应性（向右）

总结与展望 

该器件具有较好的可扩展性，非常适用于成像阵列的实现；这项工作对未来人工自适应光感知器件的发展具有重要的启示意义。相关论文已在线发表在Advanced Materials上，并被评选为Inside Cover。文章的第一作者为深圳大学博士生张梦羽，通讯作者为深圳大学闫培光教授和孙振华副研究员。

论文信息：

Mengyu Zhang, Zhiguo Chi, Guoqing Wang, Zelong Fan, Honglei Wu, Ping Yang, Junbo Yang, Peiguang Yan, and Zhenhua Sun, An Irradiance-Adaptable Near-Infrared Vertical Heterojunction Phototransistor, Advanced Materials, 2022, 2205679.

DOI: 10.1002/adma.202205679

https://doi.org/10.1002/adma.202205679

本文转载自公众号 两江科技评论

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