針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心科研人員從人眼視覺適應(yīng)機(jī)制中獲得啟發(fā)，提出了一種仿生可調(diào)靈敏度光電晶體管，為復(fù)雜光照條件下低對(duì)比度目標(biāo)的高靈敏、抗噪聲探測提供了新方案。相關(guān)研究成果以題為“Bioinspired phototransistor with tunable sensitivity for low-contrast target detection”的論文，于2026年1月2日發(fā)表在Nature旗下國際光學(xué)期刊Light: Science & Applications上。
人類視覺系統(tǒng)依賴視錐細(xì)胞與視桿細(xì)胞的協(xié)同作用，并通過感光蛋白的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同光強(qiáng)區(qū)間的自適應(yīng)感知，從而在極寬的整體動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)仍能準(zhǔn)確識(shí)別局部低對(duì)比度目標(biāo)。受此啟發(fā)，科研人員在光電晶體管中引入了一種具有自適應(yīng)光響應(yīng)特性的柵極光敏結(jié)構(gòu)，使器件靈敏度能夠隨光強(qiáng)和外加電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而模擬人眼“按需感知”的工作模式(圖1)。利用氧等離子體處理的MoS2與本征MoS2構(gòu)建光電二極管，并將其引入晶體管柵極，構(gòu)筑了一種新型仿生光電晶體管結(jié)構(gòu)。該光敏二極管的電導(dǎo)率隨光照強(qiáng)度自適應(yīng)變化，進(jìn)而重構(gòu)柵極電壓在二極管與柵介質(zhì)之間的分配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定光強(qiáng)區(qū)間電學(xué)響應(yīng)的顯著放大(圖2)。
通過調(diào)節(jié)柵壓，器件可精準(zhǔn)設(shè)定其高靈敏響應(yīng)窗口，僅對(duì)目標(biāo)光強(qiáng)范圍內(nèi)的微弱變化產(chǎn)生顯著輸出信號(hào)，而對(duì)無關(guān)背景光和噪聲實(shí)現(xiàn)有效抑制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該仿生光電晶體管在低對(duì)比度目標(biāo)探測中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，其探測靈敏度較傳統(tǒng)光電探測器提升超過三個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)具備優(yōu)異的抗噪聲干擾能力(圖3)。在復(fù)雜光照和強(qiáng)背景干擾條件下，器件仍能夠穩(wěn)定、清晰地識(shí)別目標(biāo)特征，為低對(duì)比度視覺感知提供了一種高效、緊湊的新型解決方案(圖4)。
本研究由金屬所孫東明研究員、劉馳研究員和成會(huì)明院士共同指導(dǎo)。金屬所博士研究生韓如月、遼寧大學(xué)賈大宇副教授、金屬所李波副研究員和馮順副研究員為共同第一作者，賈大宇副教授開展了機(jī)器視覺系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)工作，山西大學(xué)/遼寧材料實(shí)驗(yàn)室韓拯教授在器件制備方面提供了重要支持。
該成果得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院、遼寧省科技廳、金屬所及沈陽材料科學(xué)國家研究中心等多個(gè)項(xiàng)目與機(jī)構(gòu)的資助。
圖 1.仿生可調(diào)靈敏度光電探測器。a人眼視網(wǎng)膜通過光適應(yīng)機(jī)制在不同光照條件下實(shí)現(xiàn)高效視覺感知。視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞可根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身靈敏度，從而在強(qiáng)光與弱光條件下均保持良好的感知能力。b 視網(wǎng)膜、傳統(tǒng)光電探測器與仿生光電探測器的光響應(yīng)特性對(duì)比。視網(wǎng)膜和仿生光電探測器能夠突出目標(biāo)與背景之間的相對(duì)光強(qiáng)差異，并有效抑制無關(guān)噪聲；而傳統(tǒng)光電探測器由于靈敏度固定、響應(yīng)關(guān)系單一，難以對(duì)低對(duì)比度目標(biāo)進(jìn)行有效識(shí)別。
圖2.可調(diào)靈敏度光電晶體管的結(jié)構(gòu)與工作特性。a 可調(diào)靈敏度光電晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖，由MoS2場效應(yīng)晶體管與光電二極管集成構(gòu)成。其中，h-BN同時(shí)作為介電層和保護(hù)層，石墨作為接觸電極與柵極。b,c 器件關(guān)鍵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的截面高分辨透射電鏡圖像，表明各功能層之間界面清晰、結(jié)構(gòu)完整。d,e 氧等離子體處理前MoS2中元素組成的變化，驗(yàn)證了光電二極管的形成。f,g 器件在暗態(tài)與光照條件下的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，展示了光照引起的電學(xué)調(diào)控機(jī)制。h 器件等效電路示意圖。i 器件在暗態(tài)及不同光強(qiáng)照射下的轉(zhuǎn)移特性曲線，表明其光響應(yīng)可隨光強(qiáng)和柵壓實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控。
圖3.可調(diào)靈敏度光電晶體管的光電性能。a 器件在不同光強(qiáng)和不同柵壓條件下的光響應(yīng)行為，表明其光電響應(yīng)可通過柵壓進(jìn)行有效調(diào)控。b 不同柵壓下器件電流隨入射光強(qiáng)變化的關(guān)系，顯示出對(duì)特定光強(qiáng)區(qū)間的增強(qiáng)響應(yīng)特性。c 可調(diào)靈敏度光電晶體管與傳統(tǒng)光電晶體管在不同光強(qiáng)條件下的電流變化對(duì)比，表明該器件能夠放大目標(biāo)光強(qiáng)變化并抑制無關(guān)背景信號(hào)。d 可調(diào)靈敏度光電晶體管與傳統(tǒng)光電晶體管在不同光強(qiáng)條件下的響應(yīng)度對(duì)比，顯示其在低光強(qiáng)和低對(duì)比度條件下具有顯著優(yōu)勢。
圖4.低對(duì)比度目標(biāo)的穩(wěn)健識(shí)別能力。a 集成可調(diào)靈敏度光電晶體管陣列的智能機(jī)器視覺系統(tǒng)示意圖。b 采用傳統(tǒng)光電晶體管陣列與可調(diào)靈敏度光電晶體管陣列進(jìn)行成像的對(duì)比結(jié)果，顯示后者在低對(duì)比度條件下能夠更清晰地突出目標(biāo)特征。c 在不同平均對(duì)比度條件下，可調(diào)靈敏度光電晶體管與傳統(tǒng)光電晶體管的識(shí)別準(zhǔn)確率對(duì)比，表明前者在復(fù)雜光照環(huán)境中具有明顯優(yōu)勢。d 在椒鹽噪聲干擾條件下的識(shí)別結(jié)果對(duì)比，顯示可調(diào)靈敏度光電晶體管在強(qiáng)噪聲環(huán)境下仍保持較高的識(shí)別魯棒性。
