據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，美國佐治亞州立大學（Georgia State University）的研究人員成功設(shè)計出一款新型人工視覺傳感器，該傳感器基于獨特的垂直堆疊結(jié)構(gòu)，能夠在微觀層面上實現(xiàn)更深層次的顏色識別和可擴展性。這項研究成果已在頂級期刊ACS Nano上發(fā)表。

“我們研究的最終目標是為微型機器人開發(fā)微型相機，目前的工作僅僅是個開端?！痹擁椦芯抗ぷ鞯呢撠熑?、物理學助理教授Sidong Lei說道，“我們研究了構(gòu)建這種新型圖像傳感器的基本原理和可行性，重點是小型化。”

研究人員利用納米合成技術(shù)，成功模擬了該圖像傳感器的生化（biochemical）過程，這項研究工作為仿生人工視覺器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

“眾所周知，在研究、工業(yè)、醫(yī)療以及日常生活中，超過80%的信息是通過視覺捕獲的。”Sidong Lei教授說道，“我們研究的最終目標是為微型機器人開發(fā)一種微型相機，它可以進入到當前技術(shù)手段無法觸及的狹窄空間，將為醫(yī)療診斷、環(huán)境研究、制造、考古等領(lǐng)域開辟新的應(yīng)用前景?！?br />
Sidong Lei教授研究團隊開發(fā)的這款仿生“電子眼”推進了最關(guān)鍵的視覺功能——顏色識別。在當前的研究中，由于主流顏色傳感器的尺寸難以壓縮，顏色識別功能常常被忽略。傳統(tǒng)的顏色傳感器通常采用橫向顏色傳感通道布局，占用了大量物理空間，且顏色檢測精度較低。

在這項研究工作中，研究人員開發(fā)了一種獨特的堆疊技術(shù)，為硬件設(shè)計提供了一種新穎的方法。Sidong Lei教授指出，基于范德華半導體的垂直顏色感知結(jié)構(gòu)能夠提供精準的顏色識別能力，可以簡化光學透鏡系統(tǒng)的設(shè)計，從而減小人工視覺系統(tǒng)的尺寸。

Sidong Lei教授研究團隊的一名研究生Ningxin Li稱，正是最近的堆疊技術(shù)進步使得該項新設(shè)計成為可能。

基于范德華半導體的垂直顏色傳感器的原子力顯微鏡（AFM）圖像

“在我們這款圖像傳感器架構(gòu)中所實現(xiàn)的新功能，完全取決于近年來范德華半導體的快速發(fā)展?！盢ingxin Li說，“與傳統(tǒng)半導體材料（例如硅）相比，我們可以精確地控制范德華半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)、厚度和其它關(guān)鍵參數(shù)，以感測紅、綠、藍三種顏色?！?br />
基于范德華半導體的垂直顏色傳感器（vdW-Ss）代表了一種新興材料應(yīng)用，其中單個原子層通過弱范德華力粘合，這種獨特的材料結(jié)構(gòu)為發(fā)現(xiàn)新物理場和設(shè)計下一代視覺傳感器提供了關(guān)鍵的路徑。

“得益于這些新型半導體材料的超薄、機械柔韌性和化學穩(wěn)定性，我們能以任意順序?qū)ζ溥M行堆疊。因此，實際上我們引入了一種三維集成策略，與當前的平面微電子布局相比，更高的集成度將成為推動視覺傳感器尺寸小型化的主要原因。”Ningxin Li繼續(xù)說道。

研究人員目前正在向喬治亞州技術(shù)轉(zhuǎn)讓和商業(yè)化辦公室（OTTC）申請該項設(shè)計專利。OTTC分析道，這項設(shè)計將會吸引一些行業(yè)合作伙伴的興趣?！霸撛O(shè)計方式有望解決當前傳感器的一些主要缺陷?！監(jiān)TTC的主任Cliff Michaels說，“隨著納米技術(shù)的進步和器件小型化的發(fā)展，這些尺寸更小、精度更高的顏色傳感器將有更大應(yīng)用價值。”

研究人員認為，該項技術(shù)可能還有更廣闊的應(yīng)用前景，未來有望為視力受損人員提供幫助。

“這項技術(shù)對于仿生‘電子眼’和其它神經(jīng)形態(tài)假肢設(shè)備的發(fā)展至關(guān)重要?！盢ingxin Li說，“高質(zhì)量的色彩感知和圖像識別功能，未來有可能為視力障礙人士帶來豐富多彩的物品感知能力?！?br />
接下來，Sidong Lei教授研究團隊將圍繞該項技術(shù)繼續(xù)深入研究，以推動這些前沿技術(shù)的進一步發(fā)展。

“雖然我們的研究已向前邁出了一大步，但未來仍然面臨著科學和技術(shù)的挑戰(zhàn)，例如晶圓級集成問題。商業(yè)圖像傳感器可以集成數(shù)百萬像素來提供高清圖像，但我們的傳感器原型目前還無法實現(xiàn)這種集成。”Sidong Lei教授繼續(xù)說道，“這種大規(guī)模范德華半導體器件的集成，對于整個科研界而言都是一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)。我們的研究團隊也正在與各方合作者共同努力，以實現(xiàn)關(guān)鍵問題的突破?！?br />
論文信息：

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09875

審核編輯 ：李倩