Smart rein

Jun 12, 2023

6. Juni 2023

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von der King Abdullah University of Science and Technology

Intelligente digitale Bildsensoren, die visuelle Wahrnehmungsfunktionen wie Szenenerkennung übernehmen können, sind das Ergebnis aktueller Forschung bei KAUST.

Dayanand Kumar, Nazek El-Atab und Mitarbeiter nutzten die mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Technologie der ladungsgekoppelten Bildsensoren (CCD), die in frühen Digitalkameras zu finden waren, und passten und verbesserten die Kernstruktur des CCD, um einen lichtempfindlichen Speicher zu schaffen Geräte, die durch Licht programmiert werden können. Insbesondere bettete das Forschungsteam das zweidimensionale Material MoS2 in eine Halbleiterkondensatorstruktur (MOSCAP) ein, die den ladungsspeichernden Pixeln eines CCD-Sensors zugrunde liegt.

Die resultierenden Al/Al2O3/MoS2/Al2O3/Si-MOSCAP-Strukturen fungieren als ladungseinfangender „In-Memory“-Sensor, der gegenüber sichtbarem Licht empfindlich ist und optisch programmiert und elektrisch gelöscht werden kann. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Light: Science & Applications veröffentlicht.

„Die In-Memory-Lichtsensoren sind intelligente multifunktionale Speichergeräte, die die Rolle mehrerer – traditionell diskreter – Geräte gleichzeitig übernehmen können, einschließlich optischer Erfassung, Speicherung und Berechnung“, erklärte El-Atab.

„Unser langfristiges Ziel ist es, In-Memory-Sensoren demonstrieren zu können, die verschiedene Reize erkennen und berechnen können“, erklärt El-Atab. „Dies überwindet die Speichermauer und ermöglicht eine schnellere und Echtzeit-Datenanalyse bei reduziertem Stromverbrauch, was in vielen zukunftsweisenden und hochmodernen Anwendungen wie dem Internet der Dinge, autonomen Autos und künstlicher Intelligenz erforderlich ist.“ unter anderen."

Experimente mit Licht mit einer Wellenlänge irgendwo im blauen bis roten Spektralbereich deuten darauf hin, dass eine fotogenerierte Ladung mit einer extrem langlebigen Retentionszeit eingefangen oder gespeichert werden kann. Die resultierende „Speicherfenster“-Spannung von >2 V kann bis zu 10 Jahre lang gespeichert werden, bevor sie durch Anlegen eines +/-6 V-Signals elektrisch gelöscht wird. Darüber hinaus kann es über viele Millionen Zyklen betrieben werden.

Das ultimative Ziel der Forschung ist die Entwicklung eines einzigen optoelektronischen Geräts, das optische Erfassung und Speicherung mit Rechenfunktionen durchführen kann.

Durch die Kombination ihrer MoS2-MOSCAP-Struktur mit einem neuronalen Netzwerk zeigte das Team, dass es möglich war, eine einfache binäre Bilderkennung durchzuführen und erfolgreich zwischen Bildern eines Hundes oder eines Autos mit einer Genauigkeit von 91 % zu unterscheiden. Jedes Bild hatte eine Größe von 32 x 32 Pixeln und es wurden nur die blauen Informationen aus den Bildern extrahiert, da diese der Spitzenempfindlichkeit des Geräts entsprechen.

Das Team möchte nun den Grad der optischen Kontrolle weiterentwickeln. „Aktuelle Speichergeräte können optisch programmiert werden, müssen aber elektrisch gelöscht werden“, kommentierte Kumar. „In Zukunft möchten wir optische In-Memory-Sensoren erforschen, die vollständig optisch betrieben werden können.“

In einer verwandten Arbeit, die in Advanced Materials veröffentlicht wurde und sich ebenfalls mit dem Einsatz von Optoelektronik zur Ausführung von Aufgaben zur künstlichen visuellen Wahrnehmung befasst, hat das Team die Verwendung von schwarzem Phosphor zur Schaffung einer optoelektronischen memristiven Synapse untersucht, die die Neuronen des Gehirns für neuromorphe Computeranwendungen nachahmt.

Ihr mehrschichtiges Gerät besteht aus einer dünnen Schicht aus schwarzem Phosphor und Hafniumoxid, die zwischen einer unteren Schicht aus Platin und einer oberen Schicht aus Kupfer liegt. Es fungiert als optoelektronischer Memristor – ein Widerstand, dessen elektrischer Widerstand durch sichtbares Licht programmiert werden kann.

Experimente deuten darauf hin, dass es äußerst stabile synaptische Eigenschaften bietet, wie z. B. langfristige Potenzierung (eine langanhaltende Steigerung der Signalausgabe), langfristige Depression (eine langanhaltende Abnahme der Signalausgabe) und kurzfristige Plastizität (Änderung der Reaktion). im Laufe der Zeit), bei denen es sich allesamt um wichtige neuronale Verhaltensweisen handelt.

Das Team konstruierte aus den Geräten ein 6x6-Synapsen-Array und hofft, dass in Zukunft größere Arrays dabei helfen könnten, eine biomimetische Netzhaut zu realisieren. Wichtig ist, dass die Geräte durch Lösungsverarbeitung kostengünstig hergestellt werden können und mit einem Biegeradius von 1 Zentimeter flexibel und stabil im Betrieb sind, was Möglichkeiten für tragbare Anwendungen bietet.

Mehr Informationen: Dayanand Kumar et al., Flexible Solution-Processable Black-Phosphorus-Based Optoelectronic Memristive Synapses for Neuromorphic Computing and Artificial Visual Perception Applications, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202300446