【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】傳統(tǒng)馮·諾依曼架構的“存算分離”模式在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)實時數(shù)據(jù)處理中面臨效率瓶頸，尤其對低功耗、高響應的邊緣計算場景適應性不足?；诨パa金屬氧化物(CMOS)半導體技術的傳統(tǒng)成像傳感器主要依賴于可見光檢測，但這容易受到環(huán)境光和強度變化的影響。這種依賴性限制了它們在光線不足的條件下的功能，降低了它們在各種應用中的可靠性。當前紅外傳感技術受限于材料窄帶隙、復雜制備工藝及可見光依賴性問題，難以滿足暗光環(huán)境下的高性能需求。本研究提出一種基于碲(Te)納米網(wǎng)的光熱電(PTE)傳感器，通過紅外光驅動的原位計算，實現(xiàn)了傳感與處理的深度融合，為下一代邊緣智能設備提供了新范式。
 

　　為了解決這一問題，香港城市大學何頌賢教授團隊聯(lián)合湖南大學孟優(yōu)教授團隊創(chuàng)造性地開發(fā)出了一種從可見光到紅外波長的寬帶光譜檢測，通過利用傳感器固有的光響應特性，該系統(tǒng)消除了對傳統(tǒng)基于CMOS的成像系統(tǒng)中通常所需的外部處理單元的需求。1D Te原子鏈中的多尺度范德華(vdWs)相互作用，從而在聚合物聚酰亞胺(PI)基底上沉積了光熱電(PTE)Te納米網(wǎng)。自焊接工藝使連接良好的Te納米網(wǎng)能夠橫向氣相生長，并且具有強大的電學和機械性能，包括在紅外光條件下PTE響應度120 V W−1。利用PTE操作，研究了熱耦合雙向光響應，以證明邊緣計算傳感卷積網(wǎng)絡的原理證明。這項工作提出了一種組裝功能性vdW Te納米網(wǎng)的可擴展方法，并強調(diào)了其在PTE圖像傳感和卷積處理中的潛在應用。該研究以題為 “Infrared In-Sensor Computing Based on Flexible Photothermoelectric Tellurium Nanomesh Arrays” 的論文發(fā)表在最新一期的《Advanced Materials》上。
 

　　【基于Te納米網(wǎng)的視覺處理成像系統(tǒng)】
 

　　以人類視覺系統(tǒng)為靈感，利用傳感內(nèi)計算架構的仿生設計思路，通過集成“感知-處理”功能模擬生物視覺的高效性，為后續(xù)紅外圖像處理提供理論框架。通過對Te納米網(wǎng)陣列的高對稱性雙向光響應支持構建卷積核，對不同的特征進行了提取，有效地捕獲邊緣、紋理和空間模式，這種集成傳感計算框架為全文的“傳感-計算一體化”的創(chuàng)新架構奠定了理論與實驗基礎。元素Te晶體由排列成六邊形陣列的鍵合原子螺旋鏈組成，并且在柔性基底PI上所生長的Te納米網(wǎng)具有良好的彎曲性能。
 

圖1. 視覺成像系統(tǒng)以及基于Te納米網(wǎng)的柔性陣列對紅外的光熱響應成像
 

　　【多尺度vdWs生長技術】
 

　　研究團隊采用多尺度范德華(vdWs)生長技術，在大氣壓和較低溫條件下，通過氣相沉積實現(xiàn)了Te納米網(wǎng)的可控合成。Te原子鏈通過vdWs相互作用橫向擴展，并自發(fā)焊接 形成連續(xù)網(wǎng)絡結構。這一工藝不僅避免了傳統(tǒng)高溫退火對柔性基底的損傷，還直接兼容聚酰亞胺(PI)等聚合物材料，顯著提升了器件的柔性與適應性。利用掃描 電子顯微鏡(SEM)觀察其表面形貌，得到了它的表面形貌納米網(wǎng)密度達4.2 μm?²，納米線直徑約150 nm，自焊接節(jié)點有效降低了界面電阻，并賦予器件優(yōu)異的機械穩(wěn)定性。通過X射線衍射(XRD)和拉曼光譜分析，證實Te納米網(wǎng)具有六方晶系結構，其螺旋鏈沿c軸排列，并且XRD證實(0003)峰缺失，符合vdWs層間弱鍵合特性。二次諧波(SHG)信號在532 nm處的顯著峰則源于非中心對稱晶體結構的非線性光學特性。
 

圖2. Te納米網(wǎng)的合成與表征
 

　　【Te納米網(wǎng)器件的光熱電性能與工作機制】
 

　　為了反應Te納米網(wǎng)優(yōu)越的光熱電響應性能，對其光電壓和光電流做出了測試，并且通過器件光電流光譜圖，得出了光電壓的正負精確數(shù)據(jù)以及通過移動紅外光源位置所產(chǎn)生了類似于正光電壓(PPV), 零光電壓(ZPV)和負光電壓(NPV)的效果。在器件性能方面，Te納米網(wǎng)的光熱電響應機制由Seebeck效應主導。紅外光(1550 nm)照射引發(fā)局域溫升(ΔT≈64 K)，驅動載流子遷移并生成光電壓，其塞貝克系數(shù)高達356 μV·K?¹，表明材料以空穴為主要載流子(p型特性)。通過調(diào)節(jié)光斑位置，器件可逆切換正負光電壓(± 10 mV)，為卷積核權重的動態(tài)編程提供了物理基礎。關鍵性能指標顯示，該器件在1550 nm波段下的響應率達120 V·W?¹，遠超銻化銦(InSb)和硒化鉍(Bi?Se?)等傳統(tǒng)材料。盡管器件覆蓋可見光至紅外波段，但紅外響應效率更為突出(可見光波段響應率<50 V·W?¹)，這源于紅外光子與材料分子振動模式的高效耦合。同時對在柔性基底Te納米網(wǎng)進行了響應時間測試，彎曲測試，長期穩(wěn)定性測試和運行穩(wěn)定性測試，均展現(xiàn)出優(yōu)越的性能。
 

圖3. Te納米網(wǎng)器件的光熱電性能與工作機制
 

　　【傳感器內(nèi)計算架構與應用】
 

　　在應用層面，Te納米網(wǎng)的獨特雙向光響應特性被轉化為硬件級卷積運算能力。通過空間光強編碼(????)與光電壓輸出(?????=∑????????)的直接映射，研究團隊實現(xiàn)了3×3拉普拉斯算子的邊緣檢測功能。這種傳感內(nèi)計算架構消除了傳統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)搬運需求，顯著提升了能效與實時性。潛在應用場景涵蓋自動駕駛(暗光環(huán)境下的障礙物識別)、工業(yè)檢測(低照度產(chǎn)線缺陷監(jiān)控)、智能安防(無光源入侵檢測)及醫(yī)療成像(低干擾紅外生物特征捕捉)等領域。
 

圖4. 使用PTE陣列作為卷積核，展示了通過仿真和實驗結果得到的圖像
 

　　【總結】
 

　　本研究采用化學氣相沉積(CVD)的方式在常溫下得到了自焊接的Te納米網(wǎng)，通過其獨特的光熱電響應行為和改變可見光照射位置，得到了正光電壓，負光電壓和零光壓，從而用作構建高效卷積核，對不同的特征進行了提取，有效地捕獲邊緣、紋理和空間模式，因而使得性能優(yōu)異的Te納米網(wǎng)光熱電探測器更接近實際的應用。該技術可通過多波段協(xié)同感知擴展至中遠紅外領域，開發(fā)高密度器件陣列以支持復雜算法嵌入，并與可穿戴設備結合推動無源健康監(jiān)測。這一研究不僅為邊緣智能提供了低功耗、高魯棒性的解決方案，更可能創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)與人工智能硬件的底層架構，促進傳感與計算深度融合。