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光敏纳米材料与视觉传感人工神经突触器件研究

批准号:
U20A20209
项目类别:
联合基金项目
资助金额:
260.0 万元
负责人:
诸葛飞
学科分类:
新型信息器件
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
诸葛飞

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
传统人工视觉系统由于信息采集、处理和存储分离,难以满足现代社会对海量视觉信息快速、低能耗处理的需求。面向类脑神经形态计算的光电突触为构建新型高效人工视觉系统提供了新思路。目前光电突触的研究尚处于萌芽阶段,需要解决材料、器件和芯片层面诸多关键科学和技术问题。本项目拟从光敏纳米薄膜材料着手,阐释材料光电响应内在机理,研发对紫外光到近红外光(2500 nm)高效响应的新型光敏纳米材料及复合结构;进一步研制能耗≤10 fJ的两端或三端结构光电突触,探究光波长、功率密度等对器件电导调控的影响;利用微纳加工手段构筑突触阵列,研究加工工艺和光电信号施加方式对阵列中器件性能均一性的影响;探索突触阵列和传统CMOS神经元电路的互连技术,构建神经形态视觉芯片,实现对简单视觉功能的高效低功耗模拟。本项目有望为神经形态视觉系统的发展提供必要的理论、材料和器件基础。
英文摘要
Traditional artificial vision systems with separated information collection, processing and storage cannot meet the requirements for fast and energy-efficient processing of massive visual information in modern society. Optoelectronic synapses facing the field of brain-inspired neuromorphic computing provides new ideas for constructing highly-efficient artificial vision systems. At present, the study of optoelectronic synapses is in the early stage. Therefore, many key scientific and technical issues about materials, devices and chips need to be addressed. In this project, the mechanism of optoelectronic response of light-sensitive nanomaterials will be investigated. Novel light-sensitive nanocomposites with broad spectral response characteristics [from ultraviolet to near-infrared (2500 nm) light] will be developed. Then, ultralow energy (≤10 fJ) optoelectronic synapses with two-terminal or three-terminal configurations will be fabricated. The effect of light wavelength and power density on the modulation of device conductance will be studied. Synapse arrays will be constructed via micro-nano fabrication technology. The influence of the fabrication technique and scheme of applying optical and electric signals on the uniformity of device performance in arrays will be investigated. The method for connecting synapse arrays and CMOS neural circuits will be explored and neuromorphic vision chips will then be built to mimic simple visual functions in an ultralow energy and highly efficient way. The implementation of this project is expected to lay the foundation for the development of neuromorphic vision systems by providing essential theories, light-sensitive nanocomposites and optoelectronic synapses.
传统机器视觉系统由于信息采集(感)、存储(存)、处理(算)分离,难以满足现代社会对海量视觉信息快速、低能耗处理的需求。探索感/存/算一体的新型机器视觉架构,从而大幅提升视觉系统的反应速度和能效比,正成为国内外研究的前沿和热点。具有视觉传感功能的人工突触器件因其结构简单、易大规模集成、能耗低等优点,成为构建感/存/算一体视觉系统的理想方案。本项目聚焦光敏纳米薄膜材料,研发出具有宽光谱响应的新型光敏纳米材料及复合结构。进一步研制超低能耗光电突触器件及阵列,并构建神经形态视觉芯片,实现对简单视觉功能的高效模拟。取得的重要研究结果如下:.研制出具有宽光谱响应且光敏性能优异的纳米材料复合结构,实现对紫外光到近红外光的高效响应;获得了具有宽光谱高效响应的新型光电突触器件,成功模拟了突触短程、长程可塑性等各类突触行为;进一步,解决了光电突触器件电导难以光致非易失降低的难题,实现了全光控光电突触器件。该器件可以利用短波光照增大电导,利用长波光降低电导,并且变化后的电导可以保持。通过精确调控氧化锌忆阻器中氧空位等电荷俘获位点的浓度和分布,优化电极/氧化物组合,实现了全光控突触器件的高良率制备。在此基础上,研制出1k规模的全光控突触阵列,构建了原型视觉芯片,实现了简单视觉信息的感/存/算一体功能,图像识别精度>90%。.全光控突触工作机制不涉及焦耳热和离子迁移,因此为解决光电突触器件的稳定性难题提供了新思路,为构建感/存/算一体化的新型人工视觉系统奠定了坚实基础,极大促进了人工突触器件的实际应用。该项目研究期间,共发表相关论文25篇,申请/授权专利10件。本项目研究结果可为构建感存算一体化的新型人工视觉系统提供材料和器件基础。
极低能耗氧化物-量子点异质结全光控忆阻器研究
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超低功耗忆阻型类脑器件微观机理研究
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