近日，深圳大學呂子玉教授和合作者打造出一款無浮柵型光電快閃記憶體器件。
透過結合上轉換奈米顆粒（UCNPs@SiO2）與聚（3-己基噻吩）（P3HT，poly（3-hexylthiophene））的光電協同調控作用，這款器件能夠顯著增強儲備池的非線性表達能力與高維資訊處理潛力。
此外，透過針對生物視覺系統加以仿生，課題組構建出一款紅外感知平臺，其具備智慧感知與智慧處理一體化的能力，可用於靜態手寫識別、動態手寫識別、非線性動力學求解等任務。
實驗結果顯示：在靜態手寫識別和動態手寫識別中，該器件的準確率分別為 91.13% 和 90.07%，這意味著它在紅外機器視覺領域具有巨大潛力。
實驗結果還顯示：在解決二階非線性動力學方程任務時，當增加儲備池中的儲存狀態數目的時候，器件的預測結果的歸一化均方誤差僅為 1.06× 10⁻³，這說明其在處理複雜動態任務時具有一定的優越性。
據呂子玉介紹，本次成果在感存算一體化與新型存算器件領域具有廣泛的應用前景。
首先，得益於無浮柵型光電快閃記憶體器件的創新設計以及 UCNPs@SiO2 與 P3HT 材料的協同效應，本次系統能將感知、儲存、計算等功能集成於單一器件中，故能顯著提升資料處理效率，進而能被用於邊緣計算終端和低功耗智慧終端中，藉此實現實時的感知與計算。
比如，它將有望用於物聯網裝置和智慧感測器網路，為後者提供自主感知能力和自主決策能力。
其次，基於本次技術構建的新型存算器件，具備多級儲存能力和高維非線性表達能力，這讓複雜時序資料的高效處理成為可能。
也就是說，這款器件具備出色的動態資訊處理效能，尤其適用於高維資料分析和動態環境智慧系統，從而能用於機器視覺、無人駕駛和機器人控制等領域。
以機器視覺應用為例，當將紅外感知與儲備池計算加以結合，則能為智慧監控、夜視系統和醫療成像等場景提供新解決方案。
總的來說，本次成果融合了材料科學與仿生計算架構，展現出極高的創新性與系統性，為紅外機器視覺和高維非線性計算開闢了全新方向。
本次研究的最初靈感，來源於此前課題組在開發浮柵型電晶體時所積累的經驗。
在探索類腦人工智慧的應用時他們發現，浮柵型電晶體具有強大的儲存功能和處理功能，但在整合密度和功能多樣性上仍然存在一定侷限。
而當前的器件正在向小型化和智慧化發展，單一功能的存算分離架構，顯然已經無法滿足新興應用的需求。
為此，他們將目光轉向感存算一體化這一新型研究方向。
感存算一體化的核心思想是：將感知、儲存和處理等功能，整合在一個器件中，藉此提高系統的整合度與計算效率。
基於這一背景，該團隊希望打造出這樣一款多功能器件架構：它能同時處理光訊號和儲存資料，並能在無需額外儲存單元的情況下直接進行計算。
在此過程中，他們發現利用 UCNPs@SiO2 作為光感知材料並將其摻雜到有機半導體 P3HT 中，可能是一條可行的路徑。
定下研究路線之後，則要設法最佳化這種摻雜材料體系，以便實現高效的計算功能和光感知功能。
呂子玉表示，UCNPs@SiO2 在受到近紅外光照時，能將紅外光轉換為可見光訊號，從而能讓器件擁有感知紅外光的能力。
但是，如果這些顆粒在有機半導體 P3HT 中的分佈不均勻，可能會導致光響應不穩定甚至失效。
實驗中，他們發現當採用旋塗法的時候，能讓 UCNPs@SiO2 與 P3HT 材料實現均勻的混合。
然而，由於奈米顆粒的分散性，以及由於 P3HT 的膜厚均勻性要求，他們不得不反覆調整摻雜比例，以及最佳化旋塗的工藝引數。
透過此方法，他們找到了比較理想的摻雜比例和工藝條件，讓 UCNPs@SiO2 能夠均勻分佈於 P3HT 中，從而形成具有穩定光響應特性的複合材料體系。
在此基礎之上，該團隊希望構建一個多功能型光電電晶體，並希望能夠實現多種非易失電導態的電程式設計控制。
在電程式設計控制的作用之下，器件能夠根據不同的程式設計電壓來調整自身的電導狀態，從而展現出不同的光響應能力。
經過反覆的除錯和測試，課題組終於實現了這一效能：即便在不同的電程式設計條件下，器件也能表現出多級電導態，並且這些多級電導態具有優異的穩定性和非易失性。
具體來說：這些多級電導態不僅可以長時間存在，還能透過柵極來施加不同電壓，藉此進行快速的程式設計。
正是這種多級電導態的存在，讓器件具備儲存多層次資訊和處理多層次資訊的能力，從而能為儲備池計算系統提供豐富的動態儲存和處理資源。
隨後，在 UCNPs@SiO2 的幫助之下，器件得以擁有紅外感知的能力。再將其與多級電導態加以結合，就能實現感知、儲存和處理等功能的融合。
實驗結果顯示：在 980nm 近紅外光的照射下，UCNPs@SiO2 能將紅外光轉換為黃綠色可見光，從而讓 P3HT 層可以響應這一光訊號。
呂子玉表示，這一新型材料體系的引入，克服了傳統材料在紅外感知中的不足，實現了在窄帶近紅外輻照下的有效資訊獲取和處理。
更重要的是，透過調整電程式設計之後的電導態，器件能在不同電導狀態下展現出不同的光響應行為。
同時，這款器件具備處理多模態資訊的潛力，能為構建感存算一體化的系統奠定基礎。
透過本次研究，課題組不僅解決了浮柵器件的侷限性，還構建了一個能夠感知、儲存和處理光訊號的多功能光電電晶體。
這既為感存算一體化器件提供了新思路，也為紅外機器視覺和動態資訊處理等應用帶來了新可能。
日前，相關論文以《高維儲層表達的近紅外視網膜成像裝置》（A Near-Infrared Retinomorphic Device with High Dimensionality Reservoir Expression）為題發在Advanced Materials[1]。
香港理工大學博士生冷硯冰是第一作者，香港理工大學韓素婷教授與深圳大學電信學院呂子玉研究員擔任共同通訊作者。
後續：
首先，他們將最佳化器件的良率和離散性，並將提高其一致性和可靠性。
其次，他們將構建大規模陣列以便提升整體算力。透過將多個器件加以整合，有望實現更加複雜的計算任務，推動在高維非線性輸入資料處理和機器學習應用方面的探索。
再次，他們將嘗試解決器件的封裝問題，以便加快商業化轉化步伐。
最後，他們將探索本次技術在機器視覺、邊緣計算和智慧感測器等領域的應用潛力。
參考資料：
1.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202411225
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