金屬所發(fā)明用于低對比度目標探測的可調(diào)靈敏度光電晶體管
隨著精密制導、智能安防和預警系統(tǒng)等智能機器視覺技術(shù)的快速發(fā)展，復雜光照環(huán)境下對低對比度目標的精準識別成為亟需突破的關(guān)鍵問題。在實際應用中，目標與背景之間的光強差異往往極其微弱，且伴隨強烈的環(huán)境光噪聲，使得傳統(tǒng)基于光電二極管或光電晶體管的探測器難以產(chǎn)生足夠顯著的電學響應，目標特征極易被噪聲淹沒。盡管現(xiàn)有的神經(jīng)形態(tài)視覺器件和動態(tài)視覺傳感方案可通過延長曝光時間或引入復雜電路結(jié)構(gòu)提升對比度，但普遍存在響應速度受限、系統(tǒng)復雜度高、難以適應快速變化場景等問題。 
針對上述挑戰(zhàn)，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心科研人員從人眼視覺適應機制中獲得啟發(fā)，提出了一種仿生可調(diào)靈敏度光電晶體管，為復雜光照條件下低對比度目標的高靈敏、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旗下國際光學期刊Light: Science & Applications上。
人類視覺系統(tǒng)依賴視錐細胞與視桿細胞的協(xié)同作用，并通過感光蛋白的動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對不同光強區(qū)間的自適應感知，從而在極寬的整體動態(tài)范圍內(nèi)仍能準確識別局部低對比度目標。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光響應特性的柵極光敏結(jié)構(gòu)，使器件靈敏度能夠隨光強和外加電壓動態(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率隨光照強度自適應變化，進而重構(gòu)柵極電壓在二極管與柵介質(zhì)之間的分配關(guān)系，實現(xiàn)對特定光強區(qū)間電學響應的顯著放大(圖2)。
通過調(diào)節(jié)柵壓，器件可精準設定其高靈敏響應窗口，僅對目標光強范圍內(nèi)的微弱變化產(chǎn)生顯著輸出信號，而對無關(guān)背景光和噪聲實現(xiàn)有效抑制。實驗結(jié)果表明，該仿生光電晶體管在低對比度目標探測中展現(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數(shù)量級，同時具備優(yōu)異的抗噪聲干擾能力(圖3)。在復雜光照和強背景干擾條件下，器件仍能夠穩(wěn)定、清晰地識別目標特征，為低對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、劉馳研究員和成會明院士共同指導。金屬所博士研究生韓如月、遼寧大學賈大宇副教授、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器視覺系統(tǒng)的仿真設計工作，山西大學/遼寧材料實驗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研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院、遼寧省科技廳、金屬所及沈陽材料科學國家研究中心等多個項目與機構(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)膜通過光適應機制在不同光照條件下實現(xiàn)高效視覺感知。視桿細胞和視錐細胞可根據(jù)環(huán)境光強動態(tài)調(diào)節(jié)自身靈敏度，從而在強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特性對比。視網(wǎng)膜和仿生光電探測器能夠突出目標與背景之間的相對光強差異，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、響應關(guān)系單一，難以對低對比度目標進行有效識別。
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場效應晶體管與光電二極管集成構(gòu)成。其中，h-BN同時作為介電層和保護層，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調(diào)控機制。h 器件等效電路示意圖。i 器件在暗態(tài)及不同光強照射下的轉(zhuǎn)移特性曲線，表明其光響應可隨光強和柵壓實現(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 器件在不同光強和不同柵壓條件下的光響應行為，表明其光電響應可通過柵壓進行有效調(diào)控。b 不同柵壓下器件電流隨入射光強變化的關(guān)系，顯示出對特定光強區(qū)間的增強響應特性。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條件下的電流變化對比，表明該器件能夠放大目標光強變化并抑制無關(guān)背景信號。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條件下的響應度對比，顯示其在低光強和低對比度條件下具有顯著優(yōu)勢。
圖4.低對比度目標的穩(wěn)健識別能力。a 集成可調(diào)靈敏度光電晶體管陣列的智能機器視覺系統(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行成像的對比結(jié)果，顯示后者在低對比度條件下能夠更清晰地突出目標特征。c 在不同平均對比度條件下，可調(diào)靈敏度光電晶體管與傳統(tǒng)光電晶體管的識別準確率對比，表明前者在復雜光照環(huán)境中具有明顯優(yōu)勢。d 在椒鹽噪聲干擾條件下的識別結(jié)果對比，顯示可調(diào)靈敏度光電晶體管在強噪聲環(huán)境下仍保持較高的識別魯棒性。
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