基于螯合卤化锡钙钛矿的近红外神经形态成像阵列：开启智能识别与感知新时代

为解决卤化钙钛矿在神经形态成像中存在的铅毒性、响应范围有限等问题，研究人员开展了基于生物友好槲皮素（QR）分子修饰的无铅无毒甲脒三碘化锡（FASnI3）钙钛矿的研究。构建了 12×12 实时神经形态近红外成像阵列，助力自动驾驶和监控系统，意义重大。

　　在科技飞速发展的当下，成像技术在众多领域发挥着关键作用。从日常拍照到自动驾驶，成像阵列都是核心组件。传统的电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器虽广泛应用，但它们仅依赖光电探测器，缺乏计算、存储和时间数据融合能力，难以满足智能成像的需求。而受生物启发的神经形态成像阵列，能集成光子感知、记忆和处理能力，成为研究热点。其中，卤化钙钛矿因可调控光生离子和电荷，在神经形态成像领域极具潜力。不过，目前基于卤化钙钛矿的研究存在诸多问题：响应范围局限于紫外 - 可见区域，无法满足近红外（NIR）光在复杂环境（如夜间、雾霾天气）下的应用需求；多数卤化钙钛矿含铅，具有毒性，限制了其生物兼容性；用锡（Sn）替代铅后，又面临 Sn²⁺氧化和结晶速率快导致的缺陷问题，影响突触性能。为攻克这些难题，中国科学院大学等研究机构的研究人员开展了深入研究。
研究人员将生物友好的槲皮素（QR）分子引入无毒的 FASnI₃钙钛矿薄膜中，通过多位点螯合策略，成功制备出具有良好近红外响应和光电性能的无铅钙钛矿材料。并利用非平衡光生载流子策略，构建了基于 FASnI₃-QR 钙钛矿薄膜的近红外光电子突触，展现出准线性时间相关光电流生成、光电流衰减延长、稳定性高和能耗低等优势。最终，他们在薄膜晶体管（TFT）背板上构建了 12×12 实时神经形态近红外成像阵列，实现了硬件级的时空融合，可在复杂环境中用于物体识别和运动感知，为自动驾驶和监控系统提供有力支持 。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为无铅钙钛矿在智能成像领域的应用开辟了新道路。
在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是密度泛函理论（DFT）计算，用于分析 QR 分子与 FASnI₃钙钛矿的相互作用；二是多种光谱技术，如核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外 - 可见吸收光谱（UV-Vis）和光致发光光谱（PL）等，对螯合效果和材料性能进行表征；三是构建多种器件并测试其性能，包括光电子突触器件和神经形态成像阵列，通过测量光电流、兴奋性突触后电流（EPSC）等参数，评估器件的神经形态行为。
研究结果如下：

• 槲皮素与锡基钙钛矿的螯合作用：DFT 计算表明 QR 分子与 Sn²⁺有强相互作用，能形成稳定五元环。NMR、FTIR、UV-Vis 和 PL 光谱等进一步证实了多位点螯合作用的存在。
• 螯合锡基钙钛矿薄膜的表征：原位 PL 光谱显示 QR 分子减缓了 FASnI₃钙钛矿薄膜的晶体生长速率，抑制了无序聚集过程，减少了陷阱密度。多种测试手段表明 QR 分子能抑制 Sn 空位形成和 Sn²⁺氧化，降低缺陷密度，提高材料稳定性。
• 近红外诱导的神经形态行为：构建的光电子突触在近红外光激发下展现出神经形态行为。FASnI₃-QR 光电子突触相比 FASnI₃光电子突触，具有准线性时间相关光电流生成、光电流衰减延长、配对脉冲易化（PPF）值高、长时程增强（LTP）效果好等优势，且能耗低、稳定性高。
• 神经形态成像和图像预处理：FASnI₃-QR 光电子突触在神经形态图像预处理中表现出色，其光学响应线性度好，能提高手写数字识别的准确率。通过 3×3 阵列实验，成功从噪声光学输入中提取出图像信息。
• 神经形态物体识别和运动感知：基于 FASnI₃-QR 钙钛矿的 12×12 神经形态成像阵列，利用近红外光的穿透性，在复杂环境下实现了物体识别和运动感知。能清晰呈现目标物体的形状，感知其运动轨迹和方向。
  研究结论表明，通过多位点螯合效应和非平衡光生载流子策略，研究人员制备出了高性能的近红外光电子突触和实时神经形态近红外成像阵列。该研究为无铅钙钛矿在智能成像领域的应用提供了理论和技术支持，推动了神经形态成像技术的发展，有望在自动驾驶、监控等领域实现广泛应用，提升相关系统的智能化水平和安全性。