离子-电子耦合调控的振幅可编程事件驱动有机光传感器

《Nature Materials》：Amplitude-controllable event-driven organic photosensors based on ionic-mediated inhibition

　　

下一代人工视觉系统需要将快速时序对比（temporal-contrast）检测与动态感觉增益（sensory-gain）调制结合起来，以优先处理任务相关刺激。传统半导体光传感器缺乏产生可调振幅尖峰（spike）的内在机制，通常依赖多晶体管架构，效率受限。研究人员报道了一种事件驱动有机光传感器（event-driven organic photosensor），通过在有机混合离子-电子导体（OMIEC）中耦合离子传输与电子传输，在单一活性层内集成时序对比检测与振幅调制。在非富勒烯受体（non-fullerene acceptor）体异质结（bulk heterojunction）中，快速电子抽取产生兴奋性光电流尖峰，而OMIEC给体中的离子补偿空穴积累提供电压可调的抑制控制，功能上类似于生物视觉中的注意力增益调制（attentional gain modulation）。该机制实现了传感器内振幅-时序编码（amplitude–temporal coding），在偏压加权的光学事件中保留运动相关对比度并减少冗余读取。结果表明，OMIEC中的离子-电子耦合可作为自适应、低功耗神经形态视觉硬件的材料策略。

研究背景方面，生物视觉通过兴奋-抑制协同实现高效动态场景分析，而传统半导体光传感器主要依赖纯电子传输，缺乏内在离子反馈，难以在单像素层实现可编程增益控制。现有动态视觉传感器（DVS）多输出二值事件，基于RC差分电路或光敏界面电容的方案需要多晶体管或外设模拟电路，离子掺杂视网膜形态器件则主要受光照历史被动适应，缺少主动增益编程能力。因此，研究人员开展该研究，旨在利用有机混合离子-电子导体（OMIEC，兼具电子与离子传输能力的共轭聚合物体系）在单一活性层内实现固有尖峰生成与电压可编程振幅调制。

作者为开展研究所用的主要关键技术方法包括：构建PgBDT-T与Y6的体异质结两终端光电极并与电解质耦合；通过空间电荷限制电流测定电子/空穴迁移率；利用光致发光淬灭、开路光电压、Mott–Schottky分析、电化学阻抗谱（EIS）、原位紫外-可见吸收、开尔文探针力显微镜（KPFM）和漂移-扩散仿真表征电荷与离子动力学；采用微流控/阵列化像素与NaCl水凝胶固态电解质验证架构通用性；基于Weizmann人体动作数据集（walk、run、skip、jack四类，共149段视频）以实验提取的IEES响应方程构建混合振幅-时序编码神经网络（IEES–HATC NN）并和事件相机及帧基流水线基准比较。

材料设计与器件架构部分，研究人员合成OMIEC给体PgBDT-T并与非富勒烯受体Y6形成130 nm体异质结，覆于金工作电极并通过电解质与对电极连通。AFM、QCM与TOF-SIMS显示离子可及性主要关联PgBDT-T相，Y6提供快速电子抽取路径。原位UV–vis表明光照下PgBDT-T发生弱光助离子/电子调制，非OMIEC对照组无类似电化学指纹，从而确立相选择性离子相互作用是事件驱动光响应的关键。

体异质结中的离子掺杂介导光电流抑制部分，研究人员将IEES运行分为激发分离、电子优选抽取、离子掺杂介导抑制、关光释放四阶段。P3HT插层实验显示阻挡电子抽取会削弱正光电流峰；开路光电压在PgBDT-T体系中低于10 mV，而非OMIEC对照为40–220 mV；Mott–Schottky显示光照使C^-2明显下降。漂移-扩散仿真给出J_ph=J_ph,neutrale^-γc，说明离子补偿荷电态通过增强复合与限制输运抑制光电流抽取，衰减时间短于纯RC极限，证明离子反馈主导毫秒级尖峰动力学。

光响应特性与电压可编程振幅部分，研究人员筛选PgBDT-T:Y6比例，确定1:1为最优并具负关光尖峰与低法拉第电流。spikes幅值满足J_ph=α×ΔP^β，0 V下开启β_on≈0.28、关闭β_off≈0.05，最低可探测ΔP为0.055 mW cm^-2（约60 lux），动态范围>75 dB。正偏压使α按e^-7.2V或e^-11.1V衰减而β基本不变；背景光P_bg使响应按e^-ηP_bg衰减。由此得到开启与关闭响应方程，证明偏压提供主动可编程振幅控制，背景光提供被动适应。

材料与架构通用性部分，研究人员在NaCl、CaCl₂、K₂CO₃电解质、Au对电极、固态水凝胶、0.24–1.0 cm²面积及50×100与6×10像素阵列中均观察到事件驱动响应；PgBDT-Se、PTQ-6bO2、HOMO-gDPP等OMIEC给体与Y6混合也产生清晰尖峰，而非OMIEC P3HT:Y6仅单调衰减，说明离子可及性是事件行为核心。

电压可编程注意力事件调制部分，研究人员在4×4阵列投射X/J/T/U字母，均匀0 V时振幅随局部照度变化，对亮像素加0.2 V、暗像素0 V可实现振幅归一化。128×128视频中给三名参与者分配0 V、0.1 V、0.2 V偏压，可使参与者B响应增强近十倍、参与者C被强烈抑制，证明像素级偏压权重可模拟注意力增益调制。

IEES–HATC NN演示部分，研究人员将3×3×16卷积核权重编码为像素偏压，在阵列内完成模拟加权与固定窗口累加，再送入轻量长短期记忆（LSTM）分类器。Weizmann四类动作任务中IEES–HATC NN测试精度100%，高于帧基94.2%与事件相机75.8%；前端能耗0.064 mJ，远低于事件相机0.69 J、帧基2.80 J与RGB率编码15.70 J，说明振幅编码事件在保留运动相关信息的同时减少冗余前端处理。

讨论与结论部分，研究人员指出该工作建立了一种在单一活性层内集成时序对比检测与电压可编程振幅调制的有机混合离子-电子事件驱动光传感器。PgBDT-T:Y6中快速光载流子抽取产生兴奋性尖峰，OMIEC相中阴离子补偿充电抑制后续载流子抽取并实现可调尖峰衰减；这种耦合离子-电子响应支持偏压可编程事件振幅、增益归一化与类注意力感觉加权。结论可译为：总之，研究人员开发了一种有机混合离子-电子事件驱动光传感器，在单一活性层内集成了时序对比检测与电压可编程振幅调制。在PgBDT-T:Y6中，快速光载流子抽取产生兴奋性尖峰，而OMIEC相中的阴离子补偿充电抑制后续载流子抽取，从而实现可调尖峰衰减。这种耦合的离子-电子响应实现了偏压可编程事件振幅、增益归一化和类注意力的感觉加权。这些结果确立了离子可及OMIEC体异质结作为具有可编程增益的事件驱动光传感通用材料平台，为自适应、低功耗神经形态视觉提供了材料路径。该论文发表于《Nature Materials》。