傳統的數字圖像處理系統包括圖像傳感單元和圖像處理單元，二者在物理空間上分離，圖像信息在其間的傳輸產成了延時與能耗。受人類視覺系統啟發的神經形態視覺傳感器（NeuVS）可以通過在單一器件中集成光傳感和人工突觸功能，以模擬視覺感知系統的傳感器內計算操作（圖1a），感存算一體化的實現，可以提高機器視覺系統信息處理的效率，并降低功耗，具有優異的應用前景。人類視網膜包含三種視錐細胞以感知可見光，形成紅綠藍（RGB）三色視覺。紫外線輻射作為太陽輻射中人眼不可見部分，在殺菌、鑒定、透視和醫療健康等方面發揮著重要作用，另一方面，長時間的紫外光暴露，會對人眼、皮膚等產生危害。在實際的紫外預警探測中，紫外信號通常較弱，導致檢測困難，并且其他波長的光（如RGB）的存在也會干擾檢測。因此，探索能感知超弱紫外光的神經形態視覺傳感器，實現對紫外線輻射的預警具有重要意義。

圖1 (a）由傳感單元、記憶單元和處理單元組成的人類視覺系統。（b）有機神經形態視覺傳感器示意圖。（c）BTBTT6-syn的紫外-可見吸收光譜和化學結構。（d）文中OPTs的檢測極限與之前報道的紫外光晶體管比較。

針對以上問題，天津大學紀德洋教授團隊，聯合南京郵電大學凌海峰教授團隊和長春應用化學研究所的田洪坤研究員團隊，以有機光電晶體管（OPTs）為基本工作單元（圖1b和1c），受昆蟲眼睛四色視覺系統的啟發，利用OPTs超靈敏的紫外光響應特性及存儲性能，在OPTs中，實現了集成光響應、預處理和存儲過程的NeuVS，并展示了其在靜態圖像和動態視頻識別中的應用。

該工作中，利用BTBTT6-syn的密排雙層結構、強的分子間相互作用以及BTBTT6?syn/SiO2界面羥基俘獲電子的特點，OPTs器件可響應31 nw/cm2的超弱紫外光，是目前所報道的有機紫外光晶體管的最低檢測值（圖1d）。利用界面工程，選擇不同的聚合物介電層，調節器件中的界面缺陷。激子結合能和載流子遷移率的協同效應，增強了具有緩沖層的器件在高光強條件下的光靈敏度（圖2a）。所有器件的光響應性能包括光靈敏度（P）接近10?，光響應度（R）高達10? A/W，比探測率（D*）超過101? Jones，呈現出超強的光電探測能力。

圖2 （a）不同界面器件的光靈敏度隨光密度的變化。（b）31 nw/cm2紫外光刺激下，裸SiO2器件的EPSC。（c）不同電流水平下，裸SiO2器件的維持性能。（d）不同波長光刺激下，裸SiO2器件的EPSC。（e）有/無神經形態預處理下，模式識別的精度。（f）具有不同緩沖層器件的模式識別精度。

得益于SiO2表面羥基俘獲電子的特點，裸SiO2器件對于31 nw/cm2的超弱紫外光具有顯著的光響應特性，呈現出明顯可分離的電導態及長時程增強功能，最佳維持時間可達20,000秒以上（圖2b和2c）。由于BTBTT6-syn對紫外光獨特的靈敏性，器件具有較高的紫外光選擇性響應特性，而對RGB光的響應很弱（圖2d），利用這一特點，以OPTs器件陣列構建的NeuVS，可以有效過濾環境中的RGB噪聲，實現高效的信息預處理功能，對于手寫數字的識別率可從降噪前的46%提高到86%，通過界面工程調控，識別率進一步提升到90%（圖2e和2f）。最后，文中還展示了NeuVS在動態視頻識別中的應用（圖3）。這項工作為構建紫外超靈敏智能傳感和人工視覺系統提供了一種有效的策略。

圖3 使用基于BTBTT6-syn的突觸OPTs陣列進行運動檢測的示意圖

相關研究論文以“Tetrachromatic vision-inspired neuromorphic sensors with ultraweak ultraviolet detection”為題發表在《Nature Communications》期刊上，論文第一作者為天津大學分子聚集態科學研究院碩士研究生蔣婷和南京郵電大學博士后王一如，共同通訊作者為紀德洋教授、凌海峰教授和田洪坤研究員。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-37973-0

審核編輯 ：李倩