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Jun 12, 2023

6 juin 2023

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par l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah

Les capteurs d'image numériques intelligents qui peuvent effectuer des capacités de perception visuelle, telles que la reconnaissance de scène, sont le résultat de recherches récentes au KAUST.

En exploitant la technologie lauréate du prix Nobel des capteurs d'image à dispositif à couplage de charge (CCD) présents dans les premiers appareils photo numériques, Dayanand Kumar, Nazek El-Atab et leurs collègues ont adapté et amélioré la structure centrale du CCD pour créer une mémoire sensible à la lumière appareils programmables par la lumière. En particulier, l'équipe de recherche a intégré le matériau bidimensionnel MoS2 dans une structure de condensateur semi-conducteur (MOSCAP) qui sous-tend les pixels de stockage de charge d'un capteur CCD.

Les structures MOSCAP Al/Al2O3/MoS2/Al2O3/Si résultantes fonctionnent comme un capteur "en mémoire" à piégeage de charge qui est sensible à la lumière visible et peut être programmé optiquement et effacé électriquement. Les travaux ont été publiés dans la revue Light: Science & Applications.

"Les capteurs de lumière en mémoire sont des dispositifs de mémoire multifonctionnels intelligents qui peuvent remplir simultanément les rôles de plusieurs dispositifs, traditionnellement discrets, y compris la détection optique, le stockage et le calcul", a expliqué El-Atab.

"Notre objectif à long terme est de pouvoir démontrer des capteurs en mémoire capables de détecter différents stimuli et de calculer", explique El-Atab. "Cela surmonte le mur de la mémoire et permet une analyse des données plus rapide et plus en temps réel en utilisant une consommation d'énergie réduite, ce qui est une exigence dans de nombreuses applications futuristes et à la pointe de la technologie telles que l'Internet des objets, les voitures autonomes et l'intelligence artificielle, entre autres."

Des expériences avec de la lumière avec une longueur d'onde n'importe où dans la région spectrale du bleu au rouge indiquent qu'une charge photo-générée peut être piégée ou stockée avec un temps de rétention extrêmement long. La tension de "fenêtre mémoire" résultante de> 2V peut être stockée jusqu'à 10 ans avant d'être effacée électriquement en appliquant un signal +/- 6V. De plus, il peut fonctionner pendant plusieurs millions de cycles.

Le but ultime de la recherche est de créer un seul dispositif optoélectronique capable d'effectuer une détection et un stockage optiques avec des capacités de calcul.

En combinant leur structure MoS2 MOSCAP avec un réseau de neurones, l'équipe a montré qu'il était possible d'effectuer une reconnaissance d'image binaire simple, distinguant avec succès les images d'un chien ou d'une automobile, avec une précision de 91 %. Chaque image avait une taille de 32 × 32 pixels, et seules les informations bleues des images ont été extraites car cela correspond à la sensibilité maximale de l'appareil.

L'équipe souhaite maintenant développer davantage le niveau de contrôle optique. "Les dispositifs de mémoire actuels peuvent être programmés optiquement mais nécessitent un effacement électrique", a commenté Kumar. "À l'avenir, nous aimerions explorer des capteurs optiques en mémoire qui peuvent être entièrement exploités optiquement."

Dans des travaux connexes publiés dans Advanced Materials, également sur le thème de l'utilisation de l'optoélectronique pour effectuer des tâches de perception visuelle artificielle, l'équipe a exploré l'utilisation du phosphore noir pour créer une synapse memristive optoélectronique qui imite les neurones du cerveau pour des applications informatiques neuromorphiques.

Leur dispositif multicouche consiste en une fine couche de phosphore noir et d'oxyde d'hafnium prise en sandwich entre une couche inférieure de platine et une couche supérieure de cuivre. Il fonctionne comme un memristor optoélectronique, une résistance dont la résistance électrique peut être programmée par la lumière visible.

Les expériences indiquent qu'il offre des caractéristiques synaptiques très stables, telles que la potentialisation à long terme (une augmentation durable de la sortie du signal), la dépression à long terme (une diminution durable de la sortie du signal) et la plasticité à court terme (changement de réponse au fil du temps), qui sont tous des comportements neuronaux importants.

L'équipe a construit un réseau synaptique 6 × 6 à partir des appareils, et à l'avenir, ils espèrent que des réseaux plus grands pourraient aider à réaliser une rétine biomimétique. Il est important de noter que les dispositifs peuvent être fabriqués de manière rentable par traitement de solution et sont flexibles avec un fonctionnement stable avec un rayon de courbure de 1 centimètre, offrant des possibilités d'applications portables.

Plus d'information: Dayanand Kumar et al, Synapses memristives optoélectroniques à base de phosphore noir pouvant être traitées par des solutions flexibles pour l'informatique neuromorphique et les applications de perception visuelle artificielle, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202300446