以下文章来源于低维 昂维 ，作者低维 昂维
研究背景
视觉感知是人类和其他脊椎动物的重要感知功能，它为大脑提供了80%以上的周围环境感知信息。随着人工智能的快速发展，人们要求人工视觉系统能够模仿生物系统的视觉感知能力。其中一个重要的功能是视觉适应，它可以根据不同的光环境自动调整对刺激的反应。然而，现有模拟视觉适应功能的努力被复杂的硬件和算法所困，这通常会降低操作效率。理想情况下，具有自适应功能的新一代人工视觉系统应该具有更简单的结构和更少的逻辑运算。近年来，基于单一器件的人工视觉系统被设计成具有内置视觉自适应功能，如有机晶体管、双层MoS2光电晶体管和异质结光电晶体管，它们对外部光刺激具有良好的动态适应能力，并显示出模仿人类视觉自适应的潜力。然而，它们的主要机制仍然局限于载流子俘获或离子迁移的调制，这对于未来视觉自适应器件和人工视觉系统的发展是不够的。因此，迫切需要探索更多的工作机制来服务于具有简单器件架构的人工视觉系统的视觉适应功能。基于热释电材料的视觉自适应器件可能为模拟对恒定光刺激的视觉适应提供新的选择。这是因为在光照射下，具有非中心对称结构的热释电材料可以将光热效应引起的随时间变化的温度波动转化为瞬时电位，这是由于极化强度随温度变化而引起的界面电荷释放。这种瞬时电位的行为类似于在恒定的光作用下，人类视觉系统随时间的光敏性降低。由此可见，热释电材料在模拟人类视觉适应方面显示出巨大的可能性，需要进一步探索。
成果介绍
有鉴于此，近日，东北师范大学徐海阳教授和李远征副教授（共同通讯作者）团队开发了一种基于多层γ-InSe薄片的单个双端光传感器，该传感器结合了光热释电效应和光热电效应的新工作机制，成功地模拟了视觉适应行为。该器件可以在自供电模式下工作，并具有良好的人眼自适应行为，包括宽带光敏图像自适应(从紫外到近红外)、近完全光敏恢复(99.6%)和协同视觉自适应，促进了智能光传感器和机器视觉系统的发展。文章以“Self-powered and broadband opto-sensor with bionic visual adaptation function based on multilayer γ-InSe flakes”为题发表在著名期刊Light: Science & Applications上。
图文导读
图1. 人眼的视觉适应。（a）人眼的解剖结构，主要由角膜、瞳孔、晶状体、玻璃体和视网膜组成。（b&c）当暴露在柔和光线和明亮光线下时的视觉适应。
人的视觉系统是最重要的感知器官之一，主要由光折射系统、感光细胞、视神经和视觉中枢组成。在这里，外部物体发出的光首先被视网膜上的感光细胞(视锥细胞和视杆细胞)收集，然后转化为电信号，传递给大脑产生视觉，如图1a所示。感光细胞主要负责感知光的强度，以及视觉适应功能。视锥细胞对明亮的光线更敏感，而光敏度高的视杆细胞则擅长探测昏暗的光线。当始终暴露在柔和的光线下时，视网膜的灵敏度几乎保持不变，因此人眼不需要视觉适应过程，可以始终清晰地看到物体(图1b)。在此，视锥细胞和视杆细胞之间的转换不工作，而是处于待机状态，这是人体保持低能耗所必需的。当从柔和(或昏暗)的光线照射到明亮的光线时，人眼最初会被明亮的物体弄得眼花缭乱，然后随着视觉适应逐渐能够清晰地看到它们(图1c)。这是因为随着时间的推移，视网膜的灵敏度逐渐下降，视杆细胞和视锥细胞分别导致了最初的快速和随后的缓慢下降。依靠视锥细胞和视杆细胞之间的动态反馈转换，人眼可以适应和感知超过160 dB的大范围光照。
图2. 多层γ-InSe纳米片的晶体结构特性。（a）双端多层γ-InSe基光传感器的示意图。（b）多层γ-InSe纳米片的HR-TEM图像和对应的SAED图像。（c）XRD谱图。（d）拉曼光谱。（e）SHG强度的角度依赖性与拟合曲线。
为了模拟人眼的视觉适应，本文制备了一种基于多层γ-InSe薄片的双端光传感器，该薄片从块材上机械剥离，如图2a所示。从γ-InSe薄片的示意图和俯视图来看，4个原子片沿着c轴在每层中以Se-In-In-Se顺序共价连接，在ab平面上形成蜂窝状的In-Se晶格结构。在单胞中，层状γ-InSe由三层垂直堆叠并通过弱范德华力连接而成。同时，第二层的Se原子和第一层的In原子分别与第三层的In原子和Se原子对齐。基于这种堆叠特性，γ-InSe表现出较低的晶体对称性(R3m空间群)，这使得它具有作为热释电材料的潜力。为了确定多层InSe纳米片的晶体结构，进行了HR-TEM和相应的SAED表征(图2b)。HR-TEM图像和SAED图像分别显示出明显的晶格条纹和清晰的六重对称衍射斑点，表明制备的多层纳米薄片是高质量的单晶。每个最小六边形中心的原子都不存在反演对称性，与γ-InSe的堆叠模式一致。此外，晶格条纹的120度交角与六方γ-InSe结构(100)面与(010)面之间的夹角相匹配，[100]方向的晶格间距和(100)面的d间距分别为0.4 nm和0.2 nm。这些数据与先前γ-InSe晶格常数的结果一致。随后，利用XRD和拉曼光谱进一步确定了InSe纳米片的相结构。可以看出，所有的衍射峰都与γ-InSe的标准参考文件匹配良好，没有发现其他的衍射峰。InSe纳米片的拉曼光谱如图2d所示，在113、176和223 cm-1处有三个强峰，在199 cm-1处有一个弱峰，分别对应于A11g、E12g、A21g和A11g(LO)模式。由于A11g(LO)模式通常被认为是非中心对称结构的重要特征，因此结合上述TEM和XRD结果，可以明确地得出InSe纳米片的结构为γ相。由于γ-InSe属于R3m空间群，这种非中心对称性有可能产生强二次谐波生成(SHG)，对晶体反演对称性的破缺特别敏感。当入射偏振光方向从0°旋转到355°时，由于γ-InSe晶体结构的三重对称性，偏振相关的SHG强度在不同的旋转角度下呈现出清晰的六瓣结构(图2e)，这与之前γ相InSe的SHG结果吻合。
图3. γ-InSe光传感器的光强度相关和宽带响应特性。（a）利用功率密度为50 μW/cm2和5 W/cm2的532 nm连续激光器分别模拟了器件在不同光刺激下的实时电流(IDS)。（b）功率相关的实时IDS。（c）器件在300~1000 nm波长强光照射下的归一化实时IDS。
如上所述，人类的视觉适应不仅需要依赖于光强度的瞬态反应，而且需要对恒定的光刺激进行动态适应。为此，本文用功率密度为50 μW/cm2和5 W/cm2的532 nm连续波激光分别模拟弱光和强光照射，测量了γ-InSe光传感器的光电流。所有的光电流测量都是在零偏置电压下进行的，因为γ-InSe光传感器可以作为一个自供电器件，得益于Au电极和多层γ-InSe之间肖特基结界面上内建电场诱导的光生载流子分离。有趣的是，在两种照射条件下，恒定光刺激的光电流随着时间的推移表现出明显不同的行为，如图3a所示。在柔和光(功率密度为50 μW/cm2)照射下，器件的光电流始终保持在5 pA以下的稳定值，这与暴露在柔和光下的视网膜灵敏度相似，无需视觉适应过程即可清晰地观察物体。当暴露在强光下(功率密度为5 W/cm2)时，器件会随着时间的推移产生动态光电流衰减，在光照后最初上升到4.5 nA，然后在几十秒内衰减到2.2 nA以达到平衡水平。这种行为类似于视网膜在持续的强光照射下自动调节其灵敏度，需要一段时间的适应才能逐渐看到物体。不仅限于这两种光刺激，该器件还显示了对不同功率密度光刺激的实时响应，如图3b所示。随着功率密度增加，光电流增加了3个数量级，当激发功率密度超过5 mW/cm2时，光电流出现了明显的动态衰减。这类似于人眼的灵敏度对光强度不断增加的刺激作出反应的方式。此外，多层γ-InSe由于其相对较小的~1.2 eV的带隙，可以用于宽带视觉感知，使构建的器件能够感知从紫外到近红外的宽范围光。图3c显示了该器件在300~1000 nm波长强光照射(功率密度为60 mW/cm2)下的实时电流响应，其中所有电流在自供电模式下均随时间表现出明显的动态适应。
图4. γ-InSe器件中动态电流衰减的工作机理。（a）532 nm激光照射后放大的适应曲线以及动态电流衰减的示意图。（b）在532 nm激光照射下(功率强度60 mW/cm2)，温度相关的实时IDS。（c）在零偏置电压下，由相同功率密度60 mW/cm2的480 nm、530 nm、640 nm光在不同光照面积下激发的归一化实时IDS。
图4a给出了532 nm激光照射下的典型放大适应曲线，它可以分为四个主要阶段，包括(I)光刺激前的初始状态，(II)光刺激后不久的峰值状态，(III)随后的逐渐适应状态，(IV)达到新的平衡状态。本文提出光热释电效应和光热电效应的协同作用共同贡献了γ-InSe光传感器中视觉适应性的主要工作机制。在没有光刺激的情况下，器件在(I)阶段的主要响应是微弱的暗电流，相当于闭眼状态。众所周知，当器件暴露于光照下时，不可避免地会发生光热效应，即光转化为热并随着光照强度增加而增强。伴随着光热效应在光斑处产生的热量，γ-InSe器件会经历瞬态温度升高和空间温度梯度，从而产生热释电效应，即极化强度随温度变化引起的电荷释放现象，以及热电效应，即具有不同塞贝克系数的非对称接触中金电极对之间的温差直接转化为电压，可能会在光照时共同贡献器件的电流。此外，在金电极和多层γ-InSe之间的肖特基结界面上，通过内建电场分离光生载流子的光伏效应也有助于整体输出电流。因此，在(II)阶段，光刺激后的急剧输出电流主要包含光热释电效应、光热电效应和光伏效应三部分的贡献。随后，由于温度趋于恒定，使得热释电位迅速消失，留下光热电效应和光伏效应对电流的贡献，输出电流在(III)阶段快速减小后呈现缓慢衰减。在(IV)阶段，由于器件温度达到新的热平衡，输出电流减小到稳定值，消除了空间温度梯度，使光热电效应最小化。由此可见，光热释电效应和光热电效应的协同作用应该主要负责器件在强光下的动态适应功能。相比之下，弱光照射(小于5 mW/cm2)下的光热效应对γ-InSe薄片产生的热量太少，不足以引起瞬态温升和空间温度梯度的明显变化。因此，光热释电效应和光热电效应都将被显著抑制，电流随着时间的推移呈现稳定值，对应于(IV)阶段。
图4b表明，电流响应明显依赖于测量温度。随着温度从288 K升高到300 K，输出电流主要集中在(II)和(III)阶段逐渐减小，表明电流的动态衰减来自于光热释电效应和光热电效应。这是因为，在相同的光照条件下，背景温度越高，温度变化率越慢，空间温度梯度越小，势必会限制光热释电效应和光热电效应贡献的电流。因此，可以得出(II)阶段光刺激后的急剧输出电流主要是由光热释电效应贡献的。随后，在相同功率密度为60 mW/cm2的情况下，测量了不同光照区域的实时电流。由于照射面积越大，达到热平衡的时间越短，因此，较大照射面积下光热电效应贡献的输出电流在(III)阶段的衰减速度要快于较小照射面积下的衰减速度，不同的波长实验证实了这一点(图4c)。综上所述，电流随时间的动态衰减确实是光热释电效应和光热电效应协同作用的结果，可以很好地应用于模拟人工视觉器件的光适应功能。
图5. γ-InSe光传感器的仿生视觉适应功能。（a）设备示意图以及638 nm(红)、532 nm(绿)和405 nm(蓝)激光照射下字母图案的光敏图像自适应。（b）由两个不同间隔时间的强光刺激触发的实时IDS。（c）恢复程度与间隔时间的关系。（d-f）模拟三种不同场景下眼睑对强光刺激(12 mW/cm2)的协同视觉适应，包括直接睁眼、前半睁眼到完全睁眼、缓慢睁眼。
接下来，用γ-InSe光传感器模拟了人类视网膜中几个重要的视觉适应功能。基于器件的宽带响应特性，本文模拟了638 nm、532 nm和405 nm激光照射下的光感图像动态适应，分别对应红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)。当“R”、“G”和“B”图案的像素移动到固定光源时，γ-InSe器件暴露在200 mW/cm2的强光下，而对于其他像素，器件仅暴露在明亮的背景光照(100 mW/cm2)下。图5a显示了0.2、0.5、2、20和60 s时“R”、“G”和“B”的感知图案，这些图案取自各自的IDS。最初“眼花缭乱”的“R”、“G”、“B”图案随着时间的推移逐渐演变成清晰的图像，类似于视网膜的视觉适应过程。有趣的是，光感图像适应速度也与人类视觉系统相当。
视网膜光敏度的可恢复性，定义为视觉适应后恢复到初始的视网膜灵敏度，也是人类视觉系统功能的必要条件。为了评估γ-InSe器件的可恢复性，本文研究了两个不同间隔时间的光刺激触发该器件的电流响应(图5b)。当间隔时间设置为1 s时，与第一次刺激触发的峰值电流响应1.1 nA相比，后续刺激产生的峰值电流响应显著降低，为0.7 nA。随着黑暗间隔时间增加，反应在60 s左右的时间尺度上逐渐恢复。用刺激后触发的峰值电流与刺激前触发的峰值电流之比定量评价可恢复性，定义为恢复程度。图5c显示了恢复程度与间隔时间的关系。随着间隔时间增加，恢复程度逐渐提高，在间隔时间为60 s时，恢复程度达到99.6%。这是因为足够的黑暗间隔时间可以通过与周围环境重新建立热平衡来降低器件的温度。当再次受到强光刺激时，γ-InSe器件需要重新经历光适应过程，就像人眼在黑暗中待一段时间后的再适应过程一样。最后，γ-InSe光传感器也成功地模拟了视网膜与眼睑的协同过程。实际上，视网膜并不是人眼参与视觉适应的唯一器官。眼睑和瞳孔可以动态控制进入人眼的光通量，协助视网膜完成视觉适应过程。为了方便起见，本文简化了控制进入人眼的光通量的过程，只考虑眼睑的作用。本研究模拟了恒定强度光刺激(功率密度为12 mW/cm2)下的三种不同情景，即直接睁眼、前半睁眼到完全睁眼、慢睁眼6个阶段。在第一种情况下，眼睑不参与视觉适应过程，只有视网膜处于活动状态，因此需要较长的适应时间(~70 s)才能达到平衡水平(图5d)。当眼睛先半睁开再完全睁开时，进入人眼的光通量由眼睑动态控制，达到平衡水平的适应时间显著缩短至~50 s(图5e)。在第三种情况下，由于眼睑更积极地参与视觉适应过程，相应的适应时间进一步缩短至~40 s(图5f)。当进入视网膜的光通量被有效调节后，模拟的适应时间逐渐减小，与实际情况吻合较好。也就是说，眼睑和瞳孔合作，动态控制进入人眼的光通量，使视网膜能够更有效、更迅速地适应持续的强光刺激。与器件相对应，这种光强度逐渐增加减缓了温度上升的速度，因此由光热释电效应贡献的电流显著减少，导致总电流更快地衰减到恒定值。这些结果，包括光敏图像动态适应、光敏恢复能力和与眼睑的协同适应，表明本文构建的γ-InSe光传感器在未来先进的人工视觉系统中具有重要的应用前景。
总结与展望
本文开发了一种基于多层γ-InSe薄片的单个双端光传感器，该传感器能很好地模拟视觉适应行为。光热释电效应和光热电效应相结合的新工作机制使器件电流能够动态适应恒定的光刺激。得益于γ-InSe相对较小的带隙和光伏效应，该器件可以感知从紫外到近红外的宽范围光，并在自供电模式下工作。最重要的是，本文构建的器件具有良好的人眼自适应行为，包括宽带光敏图像自适应、近统一光敏恢复能力和协同视觉自适应功能。本文的研究不仅可以丰富模拟人类视觉适应的工作机制，而且可以推动先进光传感器和人工视觉系统的进一步发展。
文献信息
Self-powered and broadband opto-sensor with bionic visual adaptation function based on multilayer γ-InSe flakes
（Light Sci. Appl., 2023, DOI:10.1038/s41377-023-01223-1）
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01223-1
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