【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)的“存算分離”模式在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)實時數(shù)據(jù)處理中面臨效率瓶頸，尤其對低功耗、高響應(yīng)的邊緣計算場景適應(yīng)性不足?；诨パa(bǔ)金屬氧化物(CMOS)半導(dǎo)體技術(shù)的傳統(tǒng)成像傳感器主要依賴于可見光檢測，但這容易受到環(huán)境光和強(qiáng)度變化的影響。這種依賴性限制了它們在光線不足的條件下的功能，降低了它們在各種應(yīng)用中的可靠性。當(dāng)前紅外傳感技術(shù)受限于材料窄帶隙、復(fù)雜制備工藝及可見光依賴性問題，難以滿足暗光環(huán)境下的高性能需求。本研究提出一種基于碲(Te)納米網(wǎng)的光熱電(PTE)傳感器，通過紅外光驅(qū)動的原位計算，實現(xiàn)了傳感與處理的深度融合，為下一代邊緣智能設(shè)備提供了新范式。
 

　　為了解決這一問題，香港城市大學(xué)何頌賢教授團(tuán)隊聯(lián)合湖南大學(xué)孟優(yōu)教授團(tuán)隊創(chuàng)造性地開發(fā)出了一種從可見光到紅外波長的寬帶光譜檢測，通過利用傳感器固有的光響應(yīng)特性，該系統(tǒng)消除了對傳統(tǒng)基于CMOS的成像系統(tǒng)中通常所需的外部處理單元的需求。1D Te原子鏈中的多尺度范德華(vdWs)相互作用，從而在聚合物聚酰亞胺(PI)基底上沉積了光熱電(PTE)Te納米網(wǎng)。自焊接工藝使連接良好的Te納米網(wǎng)能夠橫向氣相生長，并且具有強(qiáng)大的電學(xué)和機(jī)械性能，包括在紅外光條件下PTE響應(yīng)度120 V W−1。利用PTE操作，研究了熱耦合雙向光響應(yīng)，以證明邊緣計算傳感卷積網(wǎng)絡(luò)的原理證明。這項工作提出了一種組裝功能性vdW Te納米網(wǎng)的可擴(kuò)展方法，并強(qiáng)調(diào)了其在PTE圖像傳感和卷積處理中的潛在應(yīng)用。該研究以題為 “Infrared In-Sensor Computing Based on Flexible Photothermoelectric Tellurium Nanomesh Arrays” 的論文發(fā)表在最新一期的《Advanced Materials》上。
 

　　【基于Te納米網(wǎng)的視覺處理成像系統(tǒng)】
 

　　以人類視覺系統(tǒng)為靈感，利用傳感內(nèi)計算架構(gòu)的仿生設(shè)計思路，通過集成“感知-處理”功能模擬生物視覺的高效性，為后續(xù)紅外圖像處理提供理論框架。通過對Te納米網(wǎng)陣列的高對稱性雙向光響應(yīng)支持構(gòu)建卷積核，對不同的特征進(jìn)行了提取，有效地捕獲邊緣、紋理和空間模式，這種集成傳感計算框架為全文的“傳感-計算一體化”的創(chuàng)新架構(gòu)奠定了理論與實驗基礎(chǔ)。元素Te晶體由排列成六邊形陣列的鍵合原子螺旋鏈組成，并且在柔性基底PI上所生長的Te納米網(wǎng)具有良好的彎曲性能。
 

圖1. 視覺成像系統(tǒng)以及基于Te納米網(wǎng)的柔性陣列對紅外的光熱響應(yīng)成像
 

　　【多尺度vdWs生長技術(shù)】
 

　　研究團(tuán)隊采用多尺度范德華(vdWs)生長技術(shù)，在大氣壓和較低溫條件下，通過氣相沉積實現(xiàn)了Te納米網(wǎng)的可控合成。Te原子鏈通過vdWs相互作用橫向擴(kuò)展，并自發(fā)焊接 形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這一工藝不僅避免了傳統(tǒng)高溫退火對柔性基底的損傷，還直接兼容聚酰亞胺(PI)等聚合物材料，顯著提升了器件的柔性與適應(yīng)性。利用掃描 電子顯微鏡(SEM)觀察其表面形貌，得到了它的表面形貌納米網(wǎng)密度達(dá)4.2 μm?²，納米線直徑約150 nm，自焊接節(jié)點(diǎn)有效降低了界面電阻，并賦予器件優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。通過X射線衍射(XRD)和拉曼光譜分析，證實Te納米網(wǎng)具有六方晶系結(jié)構(gòu)，其螺旋鏈沿c軸排列，并且XRD證實(0003)峰缺失，符合vdWs層間弱鍵合特性。二次諧波(SHG)信號在532 nm處的顯著峰則源于非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)特性。
 

圖2. Te納米網(wǎng)的合成與表征
 

　　【Te納米網(wǎng)器件的光熱電性能與工作機(jī)制】
 

　　為了反應(yīng)Te納米網(wǎng)優(yōu)越的光熱電響應(yīng)性能，對其光電壓和光電流做出了測試，并且通過器件光電流光譜圖，得出了光電壓的正負(fù)精確數(shù)據(jù)以及通過移動紅外光源位置所產(chǎn)生了類似于正光電壓(PPV), 零光電壓(ZPV)和負(fù)光電壓(NPV)的效果。在器件性能方面，Te納米網(wǎng)的光熱電響應(yīng)機(jī)制由Seebeck效應(yīng)主導(dǎo)。紅外光(1550 nm)照射引發(fā)局域溫升(ΔT≈64 K)，驅(qū)動載流子遷移并生成光電壓，其塞貝克系數(shù)高達(dá)356 μV·K?¹，表明材料以空穴為主要載流子(p型特性)。通過調(diào)節(jié)光斑位置，器件可逆切換正負(fù)光電壓(± 10 mV)，為卷積核權(quán)重的動態(tài)編程提供了物理基礎(chǔ)。關(guān)鍵性能指標(biāo)顯示，該器件在1550 nm波段下的響應(yīng)率達(dá)120 V·W?¹，遠(yuǎn)超銻化銦(InSb)和硒化鉍(Bi?Se?)等傳統(tǒng)材料。盡管器件覆蓋可見光至紅外波段，但紅外響應(yīng)效率更為突出(可見光波段響應(yīng)率<50 V·W?¹)，這源于紅外光子與材料分子振動模式的高效耦合。同時對在柔性基底Te納米網(wǎng)進(jìn)行了響應(yīng)時間測試，彎曲測試，長期穩(wěn)定性測試和運(yùn)行穩(wěn)定性測試，均展現(xiàn)出優(yōu)越的性能。
 

圖3. Te納米網(wǎng)器件的光熱電性能與工作機(jī)制
 

　　【傳感器內(nèi)計算架構(gòu)與應(yīng)用】
 

　　在應(yīng)用層面，Te納米網(wǎng)的獨(dú)特雙向光響應(yīng)特性被轉(zhuǎn)化為硬件級卷積運(yùn)算能力。通過空間光強(qiáng)編碼(????)與光電壓輸出(?????=∑????????)的直接映射，研究團(tuán)隊實現(xiàn)了3×3拉普拉斯算子的邊緣檢測功能。這種傳感內(nèi)計算架構(gòu)消除了傳統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)搬運(yùn)需求，顯著提升了能效與實時性。潛在應(yīng)用場景涵蓋自動駕駛(暗光環(huán)境下的障礙物識別)、工業(yè)檢測(低照度產(chǎn)線缺陷監(jiān)控)、智能安防(無光源入侵檢測)及醫(yī)療成像(低干擾紅外生物特征捕捉)等領(lǐng)域。
 

圖4. 使用PTE陣列作為卷積核，展示了通過仿真和實驗結(jié)果得到的圖像
 

　　【總結(jié)】
 

　　本研究采用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方式在常溫下得到了自焊接的Te納米網(wǎng)，通過其獨(dú)特的光熱電響應(yīng)行為和改變可見光照射位置，得到了正光電壓，負(fù)光電壓和零光壓，從而用作構(gòu)建高效卷積核，對不同的特征進(jìn)行了提取，有效地捕獲邊緣、紋理和空間模式，因而使得性能優(yōu)異的Te納米網(wǎng)光熱電探測器更接近實際的應(yīng)用。該技術(shù)可通過多波段協(xié)同感知擴(kuò)展至中遠(yuǎn)紅外領(lǐng)域，開發(fā)高密度器件陣列以支持復(fù)雜算法嵌入，并與可穿戴設(shè)備結(jié)合推動無源健康監(jiān)測。這一研究不僅為邊緣智能提供了低功耗、高魯棒性的解決方案，更可能創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)與人工智能硬件的底層架構(gòu)，促進(jìn)傳感與計算深度融合。