基于铁电Bi_xSm_2-xO_3薄膜的双模视觉传感器，用于实现高对比度成像

《Nano Energy》：A dual-mode vision sensor based on a ferroelectric Bi xSm 2-xO 3 film for high-contrast imaging

基于BiSm2O3铁电薄膜的双模视觉传感器，通过光电效应和极化场热敏感特性实现高对比成像与图像存储，提升复杂光照下的机器视觉性能。

　　

徐雅宁|郭冲|钱伟琦|克里斯·R·鲍文|杨雅

中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所高熵能源与系统中心，微纳能源与传感器北京重点实验室，中国北京 101400

摘要

铁电材料凭借其独特的光电效应和内在的极化场，能够在户外光照环境中准确提取图像特征，这在机器视觉系统中极具挑战性。然而，传统的基于铁电材料的视觉传感器仅限于图像感知，在数据传输过程中会产生延迟并增加能耗。本文报道了一种基于铁电Bi_xSm_2-xO₃薄膜的双模视觉传感器，该传感器实现了高对比度成像和存储功能。通过策略性地利用铁电极化场的光电效应和热敏特性，可以精确调节铁电薄膜的极化强度，从而实现时间可控的光电流反转，显著提升成像对比度；同时利用铁电极化的非易失性实现图像存储功能。这种集成的传感-存储架构为在恶劣环境条件下运行的鲁棒机器视觉系统开辟了新的范式。

章节摘录

引言

视觉传感器作为使机器能够“感知”和“理解”周围环境的核心技术，在多个领域引领着革命性的进展[1]。例如，这类传感器有助于智能交通系统中的自动驾驶车辆实时感知复杂交通状况[2]，[3]，实现工业制造中的高精度缺陷检测[4]，并支持服务机器人捕捉环境信息

铁电视觉传感器

该视觉传感器通过光子激发诱导电子跃迁来工作，从而产生光电流信号，这些信号是后续图像重建的基础[31]。这些信号通过采集和分析传感器活性矩阵上的空间分辨电流-电压特性进行处理，转化为视觉图像。图1a展示了传统铁电器件的示意图

结论

总之，我们提出了一种基于ITO/BSO/LNO/云母结构的铁电视觉传感器阵列，它同时具备高对比度成像和存储功能。铁电层的光电效应和退极化特性使得光电流信号能够反转，从而提高图像对比度；而铁电极化则有助于存储图像轮廓。铁电薄膜的退极化过程可以通过精确控制来实现

前驱体溶液的制备

所有试剂化学品均购自上海阿拉丁生化科技有限公司。BSO前驱体溶液的制备过程包括将4.8503克Bi(NO₃)₃·5H₂O溶解在30毫升乙二醇单甲醚中。完全溶解后，加入0.2469克Sm(NO₃)₃·6H₂O，并搅拌至溶液澄清。将所得溶液充分搅拌后静置12小时。LNO的制备方法是将2.9890克Ni(CH₃COO)₂·4H₂O溶解在24毫升70℃的醋酸中

CRediT作者贡献声明

徐雅宁：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，方法学研究，数据管理，概念构思。郭冲：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，方法学研究，数据管理，概念构思。钱伟琦：可视化。克里斯·R·鲍文：撰写 – 审稿与编辑。杨雅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，方法学研究，数据管理，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作

致谢

本工作得到了北京市自然科学基金（项目编号JQ21007）、国家自然科学基金（项目编号52072041）以及中国科学院大学（项目编号Y8540XX2D2）的支持。

徐雅宁目前是中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所杨雅教授研究小组的硕士生，他的研究方向主要集中在铁电材料领域。