纳米能源所魏迪研究员、王中林院士 Device：在单像素中实现多种离子信号传输的光化学离子电子学

纳米能源所魏迪研究员、王中林院士 Device：在单像素中实现多种离子信号传输的光化学离子电子学 - 可用于自驱动彩色三维成像

2024-10-14 来源：高分子科技

人工智能硬件的主要挑战之一在于优化信息获取、处理和能量消耗三者关系。现代深度学习任务越来越依赖于文本、图像和视频等非结构化数据，暴露了传统冯诺依曼架构的局限性。受生物系统启发的新型神经形态学装置为了克服这一瓶颈提供了一种潜在方案。从生物视觉过程中学习，他们开发了一种光化学离子电子学器件，利用多种类型的离子作为光学信息的载体，集传感，处理和记忆功能于单个像素中。该系统可以在一个像素内通过多种光触发的化学反应来捕获颜色信息并释放出相应的离子信号，通过纳米限域通道调节多种类型离子的传输。离子调制机制也是未来人机混合智能的潜在桥梁。此外，该系统还是自驱动，可打印，可共形的。单层离子电子学阵列可以不依赖复杂的人工神经网络来进行颜色识别。结合神经辐射场算法，可以在不需要深度传感器的情况下模拟和重建高保真的三维彩色图像。

文章以“Photochemical iontronics with multitype ionic signal transmission at single pixel for self-driven color and tridimensional vision”为题发表于《Device》期刊。中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和魏迪研究员为共同通讯作者。

图1.光化学离子电子学的设计和功能。(A)生物视觉过程和途径。它详细描述了人眼的结构及其与大脑的联系。光线通过角膜和晶状体进入眼睛，视神经以视觉-神经离子电流的形式传输经过处理的视觉信息。插图突出显示了负责检测不同波长光(红色，绿色和蓝色)的棒状细胞和锥状细胞(L-cone，M-cone，S-cone) ，这些光产生多种信号传输到大脑用于视觉处理和记忆。(B)将光化学离子电子学的性能指标与最近的各种参考文献进行比较的雷达图示。淡黄色区域显示定性指标的比较。“突触反应”是指设备整合感知、记忆和处理功能的能力。“彩色视觉的实用性”表明设备识别颜色的能力。“三维重建”是指设备进行三维图像重建的能力，“一致性”是指设备的灵活性。图中的所有定性比较都是基于每个特性的功能程度进行的。(C)光化学离子电子学的示意图，其在一个像素同时显示多个离子电子信号传输，携带不同的光学信息(红色，绿色，蓝色)。(D)光化学离子电子学的扫描电镜横截面图，标尺50微米。(E)从顶部和内部观察的阳极氧化铝(AAO)均匀纳米限制通道的放大的扫描电镜图片，标尺500纳米。这些通道对离子的可控输送至关重要，有助于提高设备的高通量和多功能性能。

图2.具有高通量离子电子信号的光化学突触响应。(A)含有不同光化学反应中心的器件都具有光书写(紫色区域)和电压擦除(蓝色区域)的特征光电压，并且显示需要长时间才能衰减到原始水平的长期记忆功能。(B)每个离子电子学器件的光电流响应。(C)每个离子电子学器件的响应时间，基于光电流接近稳定状态时估计。(D)通过110个打印的光化学离子电子阵列（插图）实现的高通量离子电子的光电压信号。(E)三色光化学离子电子学中光波长调制的光电压响应。虚线表示在700-400纳米之间不同光波长下产生的光电压。这说明了不同的光波长可触发特定的光化学反应，输出特征光响应电压平台。这些平台允许根据电压输出来识别RGB的颜色。插图显示了具有波长区分能力的RGB配置器件示意图。(F)相应的三色光化学离子电子学中光波长调制的光电流响应。虚线区间内表示所产生的光电流是光波长的分段线性函数。在每个分段范围内，光电流随波长呈线性增加。

图3.光化学离子电子学的机理和离子动力学。(A)光化学反应耦合离子动力学的机制示意图。(B)各离子电子学器件在1 mV s^-1处的特征循环伏安曲线。(C)曝光过程中表面的EDS元素映射和线性扫描曲线显示离子分布动力学，标尺100 纳米。(D) COMSOL 模拟了 AAO 纳米通道中的离子动力学，描述了离子在光照后的运动和浓度变化。(E)离子传输后的Ag界面的表面形貌和Br、O、Ag的EDS元素映射，标尺500微米。

图4.光学三色到离子的信息流用于自驱动应用。（A）柔性可共形的离子电子阵列的照片和用于三色识别的示意图。(B)具有人眼和大脑功能的离子电子阵列的解码图像(三色字母“color”)。(C)从单像素离子电子学提取的原始和模拟重建的图像样本。(D)由人工神经网络从离子携带的颜色信息中解码的三维重建架构。（E-F）从现实物体中重建的三维彩色图像的样本。

总之，受生物视觉的启发，他们开发了一种可打印的高通量、自驱动光化学离子电子学。它利用AAO中的纳米限域通道和光触发的卤化银氧化还原反应，能够在单个像素上传输多类型的阴离子-电子信息。这种离子电子学可以实现特定的光电压信号响应（Br^- 0.88V，Cl^- 0.7V，I^-0.3V），与Nernst方程预测的结果基本一致。AAO中的垂直的带正电的纳米限域通道确保了每种阴离子类型的独立离子输运，促进了准确的三色识别。我们的光化学离子电子学不需要外部偏压，并且显示了多型信号级联的高光响应电压（~22 V cm^-2）和离子光响应电流（~1125 μA cm^-2）。与之前的自驱动仿生眼相比，具有最大的电动势。所有的离子电子信号，可以提供多种非挥发性状态，在一个像素内实现多种神经形态功能，包括感知、处理和记忆各种光学信息。此外，利用打印技术可以在非平面、生物曲面和柔性表面上制造光化学离子电子学阵列，使其适合于模拟视锥细胞的功能。在演示中，他们设计了一种单层的离子电子视网膜阵列，能够自驱动的三色识别，而不需要复杂的人工神经网络。该设备还可以使用没有深度传感器的神经辐射场（NERF）来模拟和重建真实的高保真彩色图像。这些进展为高效的视网膜移植和对真实世界的虚拟重建铺平了道路，加速了未来数字医疗保健和人工智能应用的整合。

该工作是魏迪教授近期关于离子电子学研究的最新进展之一，其研究纳米限域空间内离子动力学过程及离子-电子耦合关系，为新能源和类脑计算等前沿领域提供了全新研究范式。以离子为信号载体的离子电子学（Iontronics）是研究纳米尺度下离子行为的交叉学科。魏迪教授课题组介绍请登录http://iontronics.group/。课题组长期招聘博士后和科研助理，有意者欢迎登录课题组网站联系。

原文链接：Photochemical iontronics with multitype ionic signal transmission at single pixel for self-driven color and tridimensional vision

Puguang Peng, Penghui Shen, Han Qian, Jiajin Liu, Hui Lu, Yanyan Jiao, Feiyao Yang, Houfang Liu, Tianling Ren, Zhonglin Wang, Di Wei

Device, 2024

https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100574

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（责任编辑：xu）

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