《AFM》丨人工视觉的新选择：二维半导体光电子学

摘要

人工视网膜技术旨在通过模仿眼睛的自然过程来恢复视觉功能。这些仿生装置可以将光转换成电信号，大脑可以将其解读为视觉信息，绕过受损或无功能的眼睛细胞。为了有效，这些器件应具有高对光的灵敏度，高空间分辨率，生物相容性，功率效率等。近年来，二维半导体材料由于其优异的光电性能、超薄的体、柔韧性和生物相容性而成为人工视网膜器件的一个有前途的候选材料。本文综述了二维半导体光电子技术在视觉功能恢复领域的最新进展，并对其潜在的应用前景进行了讨论。综述了基于二维半导体材料的人工系统中光电探测器、光电存储器、人工突触机制和器件的研究进展。此外，一系列应用场景的设备是由视网膜细胞和视觉系统的启发进行了探索。最后，总结了人工视网膜技术成功发展必须解决的关键技术挑战和策略。它还强调了在机器人和人工智能等其他领域的新应用潜力。

创新点

1. 介绍了二维半导体材料(如过渡金属硫化物)的独特性质,如宽可调的带隙、高光敏感性、机械柔性等,使其成为实现人工视觉的理想材料。

2. 概述了基于二维材料的光电子器件,包括光电探测器、光电子存储器和人工突触的机制和设备,这些是构建人工视觉系统的关键组件。

3. 讨论了模拟视网膜不同细胞功能的二维材料器件,如光感受器、双极细胞等,实现了近似人眼的视觉功能。

4. 提出了二维材料逻辑电路作为视觉单元的设计,可以完成光信号到电信号的转换,模拟视网膜的基本视觉感知过程。

5. 强调二维材料光电子器件的应用前景,不仅可以用于视力恢复,也可扩展到机器人、自动驾驶等领域,将推动人工视觉技术的发展。

6. 指出目前的技术挑战,如材料合成、器件集成、生物安全性等问题,需要多学科合作来推动二维材料在人工视觉领域的实际应用。

图文参考

图1. 用于视觉假肢、机器人视觉、自动驾驶车辆等的人工视网膜设备

图2. 不同二维半导体对光波长的检测范围

图3.  多源CVD设置的示意图和一个4英寸的照片

图4. 一个典型的二硫化钼晶体管的示意图

图5. PCE，PGE和PVE的机制方案

图6. 基于2D TMD材料的存储设备

图7. 基于二维TMD材料的光电突触

图8. 人类视网膜通过光感受器和水平细胞对不同照明强度的反应示意图

图9. 一种基于二硫化钼的人工视觉增强芯片

总结

总之，本文综述了基于二维材料的人工视觉光电子技术的最新进展，并强调了这些材料在这一领域中的革命性潜力。二维半导体的独特特性，如高表面积、灵活性、可调带隙、高电子迁移率和强光物质相互作用，使它们成为开发高效光电探测器、光学记忆和人工突触的理想候选材料。此外，基于二维半导体的光电子学可以与柔性基底和其他电子设备集成，以创建紧凑和轻量级的人工视觉系统，如人眼类视觉设备和单元。这些设备原则上具有高灵敏度、快速响应时间、低功耗等优点，适用于视网膜植入物、图像传感器、增强现实显示器等人工视觉应用。虽然基于二维材料光电子学的人工视觉已经取得了许多令人印象深刻的进展，但要实现其实际应用还有很长的路要走。下面讨论了一些挑战和潜在的解决方案。首先，二维材料器件本身必须进行优化，涉及到高质量、大面积二维材料合成、清洁大面积薄膜转移、工业兼容器件制造、二维材料上介质层均匀沉积、接触电阻降低、性能一致等方面的许多技术问题。第二，对生物视觉系统各部分的工作机制和功能需要进一步深入了解，以便利用物理设备更好地模拟生物视觉功能，如如何实现颜色分辨率，如何对视觉系统中获得的图像数据进行编码和处理，拓宽光响应范围，获得更宽的光响应视觉。最后但并非最不重要的是，基于2D材料开发的人工视觉设备的生物相容性和安全性仍然需要更多的生物或临床试验来验证。因此，弥合学术界和工业界之间的差距需要在材料、电子工程、算法和生物医学等领域的科学家的共同努力和合作。

* 参考文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202305589

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