一、感存感器【引言】
二維材料具有優異的算體光電子特性，超寬的磷圖帶隙調節范圍，在光電子領域展現出了重要潛力。像傳目前，材料二維材料在光子電路和微電子集成方面展現出了極大優勢，感存感器能夠實現更先進的算體功能集成化應用。黑磷(bP)作為一種具有寬光譜紅外響應的磷圖二維材料受到廣泛關注，研究人員已經實現了紅外的像傳離散、陣列和波導集成bP光電探測器的材料構筑，并且具有優異的感存感器性能。其中具有超寬的算體紅外響應特性的bP光電探測器陣列在紅外多光譜成像領域具有重要的應用前景。
目前，磷圖多光譜成像與人工神經網絡結合已成為生物醫學成像、像傳食品分類和工業表面損傷檢測等應用領域的材料有力工具。然而，這種多光譜成像技術產生的數據量大，計算量大，導致整個過程存在大延遲和高功耗的問題。邊緣計算是一種在傳感器端提前進行預計算處理的方法，能夠有效減輕云端計算的負載壓力，從而有效提高帶寬預算，減少延遲和功耗。邊緣計算的發展極大地推動了光電邊緣傳感器的發展，即在單個設備中同時集成視覺/感覺和計算等功能。利用bP材料制備這種光電邊緣傳感器能夠將響應光譜擴展到紅外范圍，有望實現智能夜視和多光譜傳感應用。
二、【成果掠影】
近日，華盛頓大學Mo Li和Ruoming Peng等人在Nat. Commun.上發表一篇題目為“Programmable black phosphorus image sensor for broadband optoelectronic edge computing”的文章。作者提出了一種感存算一體的多功能黑磷圖像傳感器。該多功能圖像傳感器由可編程少層bP光晶體管陣列構成，能夠響應1.5 μm ~ 3.1 μm范圍寬的紅外光譜。bP-PPT的可編程性和存儲性源于柵極電介質堆棧中的存儲電荷具有較長的保留時間，并能有效地調節柵極電導和光響應率。該傳感器不僅可以編程，還能通過電和光兩種方式進行調制，實現光電傳感器計算、電子內存計算和光學遠程編程一體化。作者將bP-PPT可以作為光學前端，不僅能夠用于捕捉紅外多光譜圖像，也可以執行圖像處理和分類任務。該感存算一體的黑磷圖像傳感器件在家庭、農業和工業站點上的分布式和遙感等領域具有重要應用前景。
三、【數據概覽】
圖1 可編程的bP晶體管陣列(bP-PPT) ? 2022 The Authors
(a) bP-PPT陣列可實現多光譜紅外成像，可編程進行傳感器內計算。
(b) bP-PPT器件的結構示意圖。
(c) 3×4陣列的bP- PPT器件的光學顯微鏡圖像，比例尺:10 μm。
(d) bP-PPT器件的能帶示意圖。
(e) 9個bP-PPT器件的Ids-VG測量?
圖2 bP-PPT設備的混合模式編程和操作展示 ?? 2022 The Authors
(a, b) 利用柵極電壓脈沖(a)和光脈沖(b)進行編程的bP-PPT工作原理示意圖。
(c) bP-PPT可以通過電編程5種不同的狀態，固定脈沖持續時間為20毫秒。
(d) 器件在不同編程狀態下的I-V特性，顯示線性電導。
(e) bP-PPT可以光學編程實現36個可見脈沖。
(f) bP-PPT的光響應性覆蓋近紅外和中紅外范圍?
圖3 bP-PPT陣列成像與傳感器計算的邊緣探測?? 2022 The Authors
(a) bP-PPT陣列接收多個波長波段的圖像。陣列的光響應度矩陣被編程來表示卷積核，直接對光電子域內的圖像進行預處理(紅色虛線框)。然后對陣列的電導矩陣進行編程，以在電域(藍色虛線框)中執行推理計算?
(b) 在三個不同的電信波段傳輸的光功率中編碼的原始輸入圖像。頂部:手寫數字(56 × 56像素，S波段);中間:哈士奇犬(312×222像素，C波段);底部:攝影師(256×256像素，L波段)。
(c-f) 分別與右、上、左、下邊緣核卷積后得到的圖像。
(g) 結合了所有的邊緣的最終圖像?
圖4 bP-PPT陣列作為光電卷積神經網絡(CNN)實現圖像識別?? 2022 The Authors
(a) 從MNIST數據集分類“0”和“1”手寫數字的CNN模型。CNN由兩個卷積核組成，平均池化層和全連接(FC)層。bP-PPT陣列捕獲的圖像在電域上進一步進行處理。
(b) 編程3 × 3 bP-PPT陣列，精度為5位，表示離線訓練生成的兩個核。
(c) 將bP-PPT陣列圖像識別的實驗結果與仿真結果進行比較。
(e) 對MNIST數據集中的100幅圖像進行實驗和模擬混淆表?
四、【成果啟示】
本文報道了一種可編程的黑磷光電晶體管陣列用于多功能紅外圖像傳感器。通過光電控制柵介質層中存儲的電荷，bP-PPT的電導和光響應度可以進行本地編程（電調控）或遠程編程（光調控），可以實現5位精度的傳感器內卷積神經網絡。該傳感器陣列不僅可以接收在紅外寬光譜范圍的光學圖像進行推理計算，還能進行圖像識別，精度達到92%。該bP圖像傳感器陣列可用于構建更復雜的視覺-感覺神經網絡，在分布式和遠程多光譜遙感中具有廣闊的應用前景。
文獻鏈接：Programmable black phosphorus image sensor for broadband optoelectronic edge computing, 2022,Nat. Commun., Doi: 10.1038/s41467-022-29171-1.
