铁电量子点用于视网膜形态传感器内计算：突破低光环境下的动态视觉识别瓶颈

这篇综述创新性地提出将硫醇封端聚偏二氟乙烯（PVDF-SH）配体修饰的铁电量子点（FE-QDs）作为光敏浮栅应用于有机突触晶体管，通过极化电压调控激子解离效率，实现了低光环境下100%准确率的动态目标识别。该研究解决了量子点强激子限域效应导致的载流子分离难题，为自动驾驶夜视系统（LADM）和智能交通提供了新型仿生视觉解决方案。

　　

铁电量子点实现仿生视觉革命

1 引言

人类视觉系统通过杆状细胞实现暗视觉（scotopic vision），这种在低光环境下的动态适应能力启发了新型机器视觉系统的设计。传统机器视觉面临传感器-存储器-处理器分离架构导致的能耗高、延迟大等问题。量子点（QDs）虽具有紫外-可见光全谱吸收特性，但强激子限域效应导致其激子结合能过高（45.45 meV），严重阻碍载流子分离。研究团队创新性地将具有铁电性的PVDF-SH配体接枝到CdSe/ZnCdS量子点表面，开发出单材料解决方案FE-QDs。

2 结果

2.1 自适应动态记忆视觉系统设计

仿生视网膜结构的LADM系统采用浮栅构型，FE-QD层作为光敏浮栅置于两个栅绝缘层之间。当施加极化电压（V_pol）时，PVDF-SH配体产生的内建电场可抵消量子点激子限域效应，使激子结合能降至35.25 meV。这种设计模拟了视网膜杆细胞的暗适应机制，在4 μW cm^-2弱光下仍保持优异性能。

2.2 FE-QDs的合成与表征

通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合法合成PVDF-SH配体，经X射线衍射（XRD）确认其具有β(110)/β(200)铁电相。压电力显微镜（PFM）测试显示典型的180°相位滞后和蝴蝶形振幅曲线，证实薄膜的铁电特性。热重分析（TGA）测得配体含量约48%，接枝密度达1.25 chains/nm²。温度依赖光致发光（PL）测试表明，FE-QDs的激子解离活化能比原始QDs降低22.4%。

2.3 铁电光电晶体管的特性

器件采用pentacene作为有机半导体通道层，在SiO₂/FE-QDs/PMMA三明治结构中表现出显著滞回窗口。时间分辨荧光（TRPL）测试显示FE-QDs寿命（5.65 ns）较原始QDs（10.11 ns）缩短43.9%，证实铁电极化促进激子解离。在365 nm紫外光照射下，器件展示出突触可塑性，包括配对脉冲易化（PPF指数达112%）和尖峰频率依赖可塑性。

3 低光环境应用验证

3×3器件阵列实验显示，在同时存在目标信号（H形）和噪声信号（T形）的暗环境中，经过V_pol极化的传感器识别准确率从初始10%提升至95.4%，而未极化组仅达22%。卷积神经网络（CNN）模拟证实，该系统对汽车运动轨迹的识别准确率达100%，远超传统传感器（61%）和自适应传感器（71%）。

4 实验方法

关键合成步骤包括：CTA引发剂制备、VDF单体高压聚合、量子点配体交换等。器件采用旋涂法制备FE-QDs层（65 nm），蒸镀pentacene通道层（40 nm）。电学表征使用半导体参数分析仪（B1500A），铁电性能通过TF3000系统测试。

这项突破性工作首次将铁电聚合物配体与无机量子点结合，创造了兼具铁电性、光响应性和空气稳定性的新型材料体系，为自动驾驶夜视系统和智能交通监测提供了革命性解决方案。长达25200秒的保持时间和100%的动态识别准确率，标志着仿生视觉器件迈向实用化的重要一步。