无人机在光电子器件和光子器件中的应用

突发的新冠病毒肺炎疫情让无人机摆脱仅供个人娱乐和植保的”设定用途”，在此次疫情防控中，无人机喊话、照明、喷雾消毒等功能得以大展拳脚，人们对无人机的功用一致称好。

但是像“无人机在没有向导的情况下飞行到偏远的山区，并找到受困的登山者”这样的情景目前还无法实现！因为当下的无人机无法直接识别拍摄到的物体，必须和远程服务器合作，无人机拍摄到的物品后，需要传到服务器，然后的等服务器对图片进行识别。

好消息是：近日，美国中佛罗里达大学（通常简称 UCF）的研究人员开发了一种模仿用于人类视觉的脑细胞的装置，可以同时模拟眼睛和大脑的功能，很好地弥合了机器和人思维之间的这段鸿沟，研究结果登上了《Science》旗下期刊《Science Advances》的封面。

突破性尝试：石墨烯+PQDs，创造超结构

石墨烯由于其宽的光谱带宽、优异的载流子传输特性和非常高的迁移率，以及在环境条件下的出色稳定性和柔韧性，成为电子和光电应用的理想材料。然而，单层石墨烯只吸收 2.3%的入射可见光。到目前为止，石墨烯光电探测器的响应度限制在 10−2 A W−1 左右。这些限制严重阻碍了石墨烯在光电子器件和光子器件中的应用。

有机 - 无机卤化物钙钛矿量子点（PQDs）由于其在可见光范围内的带隙可调谐、高的光致发光（PL）量子产率、窄的发射光谱和高的消光系数而被认为是具有吸引力的光电子器件材料。但与石墨烯相比，有机 - 无机卤化物钙钛矿量子点（PQDs）的电荷传输能力较差。

UCF 的研究小组创新地采用两个材料相结合的方式，通过直接在石墨烯单层表面的活性中心上生长 PQD，形成新的超结构——石墨烯 -PQD（G-PQD）超结构，以增强这两个部分之间的电荷转移。设计这种混合超结构的基本原理来自于 PQDs 吸收光和产生电荷载流子的能力。

这种组合允许光活性粒子捕捉光线，将其转化为电荷，然后将电荷直接转移到石墨烯上，所有这些都只需一步就可以完成。整个过程发生在一层非常薄的薄膜上，大约是人类头发厚度的万分之一。

结果，通过在光电晶体管几何结构中实现这种薄超结构，研究小组在 430 nm 处获得了 1.4×108A W−1 的光响应率和 4.72×1015Jones 的比探测率，这是迄今为止报道的同类器件中最好的响应率和探测率，对开发用于高速通信、传感、超灵敏相机以及高分辨率成像和显示的高效光电材料很有前途。

此外，研究小组发现石墨烯 -PQD（G-PQD）超结构表现为光子突触，每穗能耗为 36.75pJ，模仿了其生物等效的关键特征，具有独特的光学增强和电习服功能，让研究人员能够构建用于神经形态结构的硬件单元以模仿人脑功能，这对于模式识别和其相关应用至关重要。

研究成员谈超结构 G-PQD 的应用

UCF 纳米科学技术中心和材料科学与工程系副教授 Jayan Thomas 表示：“这是向开发神经形态计算机（可以同时处理和记忆信息的计算机处理器）迈出的一小步，可以减少计算机的信息处理时间以及处理所需的能量。在未来的某个时刻，这项发明可能有助于制造出可以像人类一样思考的机器人。”

UCF 纳米科学技术中心助理教授 Tania Roy 表示：“这项技术的一个潜在用途是用于无人机辅助救援。早期的研究者们发明了摄像头，用于捕捉图像并将其发送到服务器进行识别，但我们团队创造的这种单一的装置，可以同时模拟眼睛和大脑的功能，可以观察图像，并当场识别，使无人机真正具有自主性，因为它可以像人类一样看到。”

这项研究的第一作者之一 Basudev Pradhan（曾是 Thomas 实验室的巴斯卡拉高级太阳能研究员，现为印度贾坎德邦中央大学能源工程系助理教授）说：“超结构显示出光辅助记忆效应，类似于人类与视觉相关的脑细胞。我们开发的光电突触与以大脑为灵感的神经形态计算高度相关。这种超结构必将为超薄光电设备的开发带来新的方向。”

这项研究的另一第一作者——Sonali Das（Roy 实验室的博士后研究员）说：“这一装置还有潜在的国防应用，可用来辅助士兵在战场上的视野。此外，该装置能够以极低的功耗探测、检测和重建图像，从而使其能够在现场应用中进行长期部署。”

面部识别考验

神经形态计算是科学家的一个长期目标，计算机可以同时处理和存储信息，就像人的大脑视觉一样。当前，计算机在单独的位置存储和处理信息，这限制了它们的性能。比如无人机，看的是机器，识别的是远程的服务器上工作的人。

为了测试这一超机构装置通过神经形态计算看到物体的能力，研究人员用该装置在面部识别上进行试验。

Thomas 表示：“面部识别实验是检查我们的光电神经形态计算的初步测试。由于我们的设备模仿了与视觉有关的脑细胞，因此面部识别是神经形态构建模块最重要的测试之一。”

考验通过！研究小组开发的超结构装置成功识别上图中 4 个不同人物的画像。

研究人员表示，他们计划继续合作以精细化该装置，包括使用它来开发电路级系统，同时期待 G-PQD 超结构将为高效光电子器件的发展提供新的方向。
       责任编辑:pj