中科院上海技物所团队基于Au/BP/PdSe₂范德华异质结，结合神经网络闭环控制实现自适应红外视觉。在1550 nm波段，器件线性动态范围约80 dB、响应时间达亚毫秒级，偏振灵敏度大于10。
上海技物所宋玉欣/陈晓双/魏璐Small：单光探测器中神经控制增益压缩的自适应红外视觉
【研究背景】
在漫长的生物进化过程中，人类视觉系统演化出了一套精妙的自适应机制。通过瞳孔大小的动态调节与视网膜感光细胞的反馈回路，人眼能够在从昏暗星光到刺眼阳光的巨大光强跨度中，始终保持对环境的清晰感知。然而，生物视觉存在天然的物理局限：我们无法感知红外波段，且对光的偏振状态不敏感。在自主感知、边缘智能以及复杂环境探测等前沿领域，突破这些生物视觉的生理限制已成为迫切需求。
现有的红外图像传感器在应对复杂光照环境时，往往依赖于系统级的补偿手段，如机械光圈调节、模拟增益控制（AGC）以及复杂的数字后处理算法。这些传统方法不仅会引入不可忽视的系统延迟，还会显著增加整体功耗，更严重阻碍了红外视觉系统向微型化、高集成度方向发展。因此，市场与科研界正急切呼唤一种具备固有可逆光学增益调制特性的固态光电探测器，以期在单一器件层面实现类似人眼的智能自适应功能。
【工作简介】
针对上述挑战，中国科学院上海技术物理研究所联合中华大学、上海科技大学、中国科学院大学杭州高等研究院及上海量子科学研究中心的研究团队，提出并研制了一种基于Au/BP/PdSe2范德华异质结的神经形态光探测器。该器件通过静电势垒重构，在单一光探测器内部实现了类似人眼的非线性增益压缩特性。
更为重要的是，研究团队将该探测器与嵌入式神经网络微控制器深度集成，构建了一个硬件级的闭环反馈系统。该系统展现出以下核心性能指标：在1550 nm波段下，其线性动态范围（LDR）成功扩展至约80 dB，具备亚毫秒级的超快响应速度，且拥有大于10的固有偏振灵敏度（PR）。这一创新设计无需借助外部光学元件或复杂模拟电路进行增益调控，为下一代智能红外视觉系统提供了全新的硬件范式。
【内容表述】
仿生器件设计与不对称能带架构
该研究的核心在于精心设计的Au/BP/PdSe2垂直范德华异质结结构。在能带工程方面，Au与BP（黑磷）接触处形成了0.23 eV的势垒，有效实现了整流效应；而BP与PdSe2结处0.17 eV的势垒则为光生载流子提供了二次电荷提取路径。原子力显微镜（AFM）表征证实了该器件层状结构，其中包括约10 nm厚的BP层、约240 nm厚的PdSe2层以及约50 nm厚的hBN封装层。通过外部栅压调控，可以精准改变器件内部的费米能级，从而同步调节器件的有效响应面积（A）与响应度（R），为后续的动态视觉适应奠定了物理基础。
栅压调控下的动态视觉适应机制
该器件的自适应能力源于栅压对内部电场和光电流分布的动态调控。当施加+40 V正偏压时，Au/BP界面的光电流被显著增强，模拟了人眼在弱光环境下的视觉适应机制；反之，当施加-40 V负偏压时，内部结场向BP/PdSe2侧发生偏移，导致器件整体响应度下降，从而有效抑制强光照射下的过曝现象。空间光电流分布测绘结果直观地证实了这一点：随着栅压的改变，器件内部的吸收区与增益区域会发生动态迁移，实现了“硬件级”视觉适应。
神经控制增益压缩与宽线性动态范围
在光响应特性上，该探测器的光电流与光功率之间呈现出显著的幂律关系（I ∝ Pα），且指数α会随着栅压的升高而增大，这正是实现非线性增益压缩的关键。为了将这一物理特性转化为实用的自适应能力，研究团队引入了全连接神经网络（FCNN）与STM32微控制器，构建了“两步走”的智能控制逻辑：首先由神经网络估算当前环境的光强，随后精准推算出维持适宜视觉状态所需的目标栅压。在这一神经控制增益压缩机制下，器件的线性动态范围（LDR）成功跨越四个数量级，达到约80 dB，实现了三个数量级的动态扩展，有助于改善传统传感器在复杂光照下的适应能力。
偏振灵敏度与单像素成像验证
得益于黑磷（BP）材料面内各向异性的晶体结构，该探测器天然具备大于10的偏振灵敏度（PR），并通过全斯托克斯成像实验得到了充分验证。在单像素成像验证实验中，该系统的优势展现得淋漓尽致：在传统的固定偏压模式下，图像往往会出现严重的欠曝或过曝现象；而在引入自适应神经控制后，系统能够实时调节增益，维持较为均匀的图像对比度，实现了高保真的红外图像复现。这证明了该单光探测器系统在复杂红外场景感知中的巨大潜力。
【结论】
综上所述，本文开发了一种神经形态光探测器系统，该系统通过在红外-偏振域内实现可门控、类人眼的增益调控，对生物视觉进行模拟并超越其性能。通过设计一种可静电重构的 Au/BP/PdSe₂ 范德华异质结（vdWH）结构，我们建立了一种基于物理机制的空间可重构光响应及动态响应度调制方案。该系统与嵌入式神经网络控制器相结合，构成一个实时硬件在环反馈回路，可自主调节光学增益；在 1550 nm 波长处实现 约80 dB 的线性动态范围（LDR）、亚毫秒级响应时间以及固有的偏振灵敏度（PR > 10）——且无需外部光学器件或模拟电路。除器件性能外，该架构还展示了一个将材料级可调谐性与嵌入式智能相结合的统一框架，从而实现在芯片级规模上运行的自调节视觉功能。所演示的系统不仅能在光照条件变化时恢复感知稳定性，还将视觉系统的感知范围扩展至人类眼睛无法探测的光谱与偏振域。这些研究成果为开发下一代自适应光子传感器奠定了基础，此类传感器在神经形态计算、自主机器人技术及边缘人工智能领域具有广泛的应用前景。
【文章详情】
作者：宋玉欣, 李欣, 顾俊哲, 陈金, 余飞龙, 刘俊通, 杨佳吉, 李冠海, 陈晓双, 魏璐
单位：中国科学院上海技术物理研究所、中华大学、上海科技大学物理科学与技术学院、中国科学院大学杭州高等研究院、上海量子科学研究中心
【通讯作者简介】
李冠海：中国科学院上海技术物理研究所研究员。长期从事低维半导体物理与器件、红外光电子学等前沿方向研究，在新型红外探测器设计与机理探索方面取得了多项创新性成果。
陈晓双：中国科学院上海技术物理研究所研究员。主要致力于红外光电子学及计算光谱学等交叉领域研究，在智能光电感知与多维信息获取方面具有深厚的学术积累。
魏璐：中国科学院上海技术物理研究所研究员。长期深耕低维半导体物理与器件研究，聚焦于范德华异质结光电器件的开发及其在神经形态视觉系统中的应用。
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