論文題目：Non-volatile rippled-assisted optoelectronic array for all-day motion detection and recognition

發(fā)表期刊：Nature Communications IF: 17.65

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46050-z

【引言】

隨著人工智能和信息技術(shù)的進(jìn)步，運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別 (MDR) 技術(shù)在自動(dòng)駕駛、安全監(jiān)控、道路交通管制和軍事相關(guān)等領(lǐng)域變得越來越重要。當(dāng)前基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 圖像傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)存在著一些不足。例如，傳感器對(duì)光線依賴性強(qiáng)和缺乏數(shù)據(jù)處理能力。對(duì)光線的依賴導(dǎo)致了這些傳感器僅在明亮的環(huán)境下能高效檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，在黑暗環(huán)境下表現(xiàn)不佳。缺乏數(shù)據(jù)處理能力會(huì)造成傳感器無法提取和處理運(yùn)動(dòng)信息的問題。使得現(xiàn)有的傳感器難以分析運(yùn)動(dòng)軌跡或識(shí)別具體物體。此外，將圖像傳感器的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)，也會(huì)導(dǎo)致時(shí)間和電力的浪費(fèi)。

【成果簡(jiǎn)介】

為了解決上述在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域所存在的問題，2024年2月復(fù)旦大學(xué)相關(guān)課題組聯(lián)合中科院相關(guān)團(tuán)隊(duì)利用小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3，將MoS₂二維材料制備出形變?cè)鰪?qiáng)光電器件（RAO）。所制備出的器件僅能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)可重構(gòu)的非易失性正負(fù)光電導(dǎo)，還在室溫下具有高的遷移率和光存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)范圍。由于所制備的RAO光電器件陣列模仿了蛇的視覺系統(tǒng)特性，可在全天候運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別 (MDR) 方面實(shí)現(xiàn)從可見光 (405 nm) 到近紅外 (940 nm) 的寬帶譜檢測(cè)。相關(guān)工作以《Non-volatile rippled-assisted optoelectronic array for all-day motion detection and recognition》為題，在SCI期刊《Nature Communications》上發(fā)表。

文中使用的小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3克服了傳統(tǒng)光刻工藝中需要掩膜版的難題，通過電腦控制DMD微鏡矩陣開關(guān)，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制，直接在光刻膠上曝光繪出所要的圖案。與此同時(shí)，該設(shè)備還具備結(jié)構(gòu)緊湊（70cm X 70cm X 70cm）、直寫速度高，高分辨率（XY：<1 μm）等特點(diǎn)。采用集成化設(shè)計(jì)，全自動(dòng)控制，可靠性高，操作簡(jiǎn)便。憑借這些優(yōu)勢(shì)，MicroWriter ML3為本研究器件的成功制備提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. RAO光電器件結(jié)構(gòu)示意圖。（a）RAO光電器件的3D概念圖，每一個(gè)單元構(gòu)成圖像中的一個(gè)像素。（b）由MicroWriter ML3所制備的RAO光電器件的光學(xué)表征結(jié)果。（c）RAO器件中MoS₂形變部分的掃描透射表征結(jié)果。（d）64個(gè)RAO光電單元的拉曼表征結(jié)果，和（e）RAO光電器件的拉曼圖譜分析結(jié)果。（f）兩種NV色心在RAO器件中隨時(shí)間的變化結(jié)果。（g）和（h）在光照條件下正負(fù)光電導(dǎo)的變化機(jī)理示意圖。

圖2. RAO光電器件的光電性能表征結(jié)果。（a）VDS為0.5V的條件下IDS隨VBG的變化結(jié)果。（b）由光誘導(dǎo)的兩種NV色心的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。（c）RAO器件中電子遷移率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。（d）RAO 陣列的閾值電壓統(tǒng)計(jì)特性與遷移率的統(tǒng)計(jì)特性類似，都服從正態(tài)分布。（e）和（f）每個(gè)像素最小和最大的IDS。(g) 本工作中電子遷移率與已報(bào)到工作相比較。(h) 本工作與之前工作中電子遷移率和厚度間的比較。(i)本工作與他人工作中器件的光學(xué)動(dòng)態(tài)范圍比較。

圖3. 通過MicroWriter ML3制備的光電器件的光學(xué)和掃描電鏡表征結(jié)果。（a），(b）和（c）為光學(xué)結(jié)果。（d），(e)和(f)為器件的掃描電鏡表征結(jié)果。

圖4. 受到蛇眼啟發(fā)的全天候運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。（a）和（b）蛇眼捕捉動(dòng)態(tài)目標(biāo)的原理。(c)在有足夠光線條件下的RAO運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果。（d）在光線不足條件下的檢測(cè)結(jié)果。

【結(jié)論】

論文中，復(fù)旦大學(xué)和中科院的相關(guān)團(tuán)隊(duì)利用MicroWriter 小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3制備了基于MoS₂的二維光電檢測(cè)器件。由于該器件利用了MoS₂的形變效應(yīng)，顯著提高了器件中的電子遷移率。與同類器件相比，論文中所制備出的光電檢測(cè)器件光學(xué)檢測(cè)范圍更大，數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)，功耗更低。該工作為需要進(jìn)行全天候光學(xué)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的相關(guān)領(lǐng)域，提供了新的方案，更提供了新的解決思路。從論文中還可以看出，MicroWriter ML3無掩模光刻機(jī)得益于其強(qiáng)大的光刻和套刻能力，可以十分方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)圖形的曝光，是各學(xué)科科研中制備各類微納器件的得力助手。

相關(guān)產(chǎn)品

1、小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3