28. September 2023 (Nanowerk-Scheinwerfer) Das menschliche Sehen bietet ein Modell für Fortgeschrittene künstliche Intelligenzsysteme das visuelle Informationen wahrnehmen und verstehen kann. Herkömmliche Elektronik beruht jedoch auf der Kombination separater Lichtsensoren, Speichereinheiten und Logikschaltungen, um zu versuchen, die Sehfähigkeiten des Menschen nachzubilden. Dieser mehrkomponentige Ansatz erhöht die Größe und Komplexität und schränkt gleichzeitig die Fähigkeit des künstlichen Systems ein, das biologische Sehen zu emulieren. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben Forscher nach integrierten Technologien gesucht, die Licht absorbieren, visuelle Darstellungen speichern und Bilder in einzelnen Geräten verarbeiten. Kürzlich hat ein Team aus China ein neues Doppelfunktionsmaterial namens a entwickelt Perowskit die diesem Ziel einen großen Schritt näher kommt. In einer einzigen integrierten Einheit kann der Perowskit sowohl Licht erkennen als auch visuelle Muster speichern, die vom menschlichen Sehen inspiriert sind. Diese Forschung befasst sich mit der Herausforderung, Schlüsselaspekte des biologischen Sehvermögens in einem optimierten künstlichen System zusammenzufassen. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe („Ein doppelfunktionaler Perowskit-basierter Fotodetektor und Memristor für das visuelle Gedächtnis“).
a) Schematische Darstellung des menschlichen Sehsystems, wenn die Z-Form mit den Augen beobachtet wird. b) Schematische Darstellung des Lichtwegs und der entsprechenden Spuraufzeichnungsergebnisse (50 × 50 µm für jedes einzelne Pixel). c) Schematische Darstellung des fotoelektrischen Schreibens und der entsprechenden Datenspeicherergebnisse. d) Schematische Darstellung von 4 × 4-Arrays Au/Ag–Cs3Sb2I9–ITO (Indium-Zinn-Oxid-Filme) Doppelfunktionsgeräte. e) Das Foto-Bildergebnis des Geräts (Lichtintensität: 2.34 mW cm).-2). f,g) Datenspeicherung und Formgedächtnis des Bildes vor und nach 60 Minuten. h) Das Ergebnis des Arrays nach dem Zurücksetzen. i) Fotoaufnahmeergebnis des Geräts nach dem Zurücksetzen. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Das menschliche Gehirn integriert visuelle Eingaben der Augen mit Gedächtniszentren, die die Informationen speichern. Die künstliche Nachbildung dieses Prozesses ist jedoch eine Herausforderung, da hierfür Lichtsensoren, Speicherkomponenten und Logikschaltungen in ein einziges System integriert werden müssen. Das neue Perowskit-Gerät überwindet diese Hürde, indem es Lichtsensor- und Speicherfähigkeiten kombiniert. Perowskite erweisen sich aufgrund ihrer hervorragenden Lichtabsorptionseigenschaften und ihrer einfachen Herstellung als vielversprechende Materialien für optoelektronische Anwendungen. Die Forscher nutzten diese Vorteile, um ein Gerät mit Doppelfunktion zu entwickeln, das bleifreie Cäsium-Antimon-Iodid-Perowskit-Mikrotiterplatten verwendet. Eine der Aufgaben des Geräts ist die Lichterkennung. Stellen Sie sich die Perowskit-Mikrotiterplatte als einen supereffizienten Schwamm vor, aber für Licht statt für Wasser. Es kann Licht aus einer Vielzahl von Farben absorbieren, die wir mit unseren Augen sehen können. Wenn es als Teil eines Lichterkennungsaufbaus verwendet wird, leistet es außerordentlich gute Ergebnisse. Um Ihnen eine Vorstellung zu geben, sprechen wir über die „Lichtempfindlichkeit“. Betrachten Sie dies als die Fähigkeit des Geräts, auf Licht zu reagieren. Eine höhere Reaktionsfähigkeit bedeutet, dass es sehr geringe Lichtstärken erkennen und darauf reagieren kann, was es hochempfindlich macht. Dieses Perowskit-Gerät zeigt eine Lichtempfindlichkeit von 276 mA/W bei einer bestimmten grünen Lichtfarbe, was eine Messung ist, die weit über vielen anderen Lichterkennungsgeräten liegt. Nun zum Thema „Detektivarbeit“. Dieser Begriff bezieht sich darauf, wie gut das Gerät ein schwaches Lichtsignal bei Hintergrundgeräuschen empfangen kann – so als würde man ein Flüstern in einem überfüllten Raum hören. Je höher die Detektivität, desto besser ist die Erkennung schwacher Signale. Dieses Gerät verfügt über eine Detektivität von 4.7 × 1011 Jones stellt erneut seine überlegene Leistung im Vergleich zu den meisten anderen Lichtdetektoren unter Beweis. Die zweite Funktion ist die nichtflüchtige Speicherung. Der Perowskit fungiert als memristor, eine Art resistiver Direktzugriffsspeicher. Durch Anlegen einer kleinen Spannung von nur 0.15 V kann der Widerstandszustand des Perowskit-Memristors von hoch auf niedrig umgeschaltet werden. Dieser Übergang entspricht dem Schreiben eines Merkerbits. Das Gerät behält den geschriebenen Zustand über 7,000 Sekunden lang ohne Beeinträchtigung bei und ermöglicht so eine zuverlässige langfristige visuelle Informationsspeicherung. Die memristiven Eigenschaften ermöglichen es, vom Perowskit erkannte visuelle Muster zu speichern und später bei Bedarf abzurufen. Bemerkenswert ist, dass die doppelte Lichterkennung und Speicherfähigkeit in einem einzigen integrierten Gerät erreicht wird. Die Forscher demonstrierten ein 4x4-Pixel-Array, das eine sich bewegende Lichtquelle erkennen, das Beleuchtungsmuster erfassen, das Bild speichern und es später bei Bedarf abrufen konnte. Dadurch wird nachgeahmt, wie das menschliche Auge eine Szene wahrnimmt und sie in den Gedächtniszentren des Gehirns speichert. Die gespeicherten visuellen Muster konnten zuverlässig gelöscht und neu geschrieben werden, was die Wiederverwendbarkeit der Perowskit-Hardware unterstreicht. Die Kombination aus hervorragender Photodetektionsleistung und vielseitiger visueller Speicherkapazität in einem einzigen Gerät stellt einen erheblichen Fortschritt gegenüber früheren Technologien dar. Die Forscher erläutern die Wirkprinzipien, die die Doppelfunktionalität ermöglichen. Die Perowskit-Mikroplattenstruktur und das Energiebanddesign fördern eine effiziente Lichtabsorption und Ladungstransport, was dem starken Photodetektionsverhalten zugrunde liegt. Auf der Speicherseite mobilisieren Spannungsreize Ionen innerhalb des Perowskits, um leitfähige Filamente zu bilden und aufzubrechen. Dadurch wird der Widerstand umgeschaltet und der Speicherzustand programmiert. Im Vergleich zu herkömmlichen ohmschen Direktzugriffsspeichern weist die Perowskit-Version einen extrem niedrigen Stromverbrauch von bis zu 3×10 auf-11 W. Aufgrund der geringen Programmierenergie in Verbindung mit der leistungsstarken Lichtsensorik eignet sich die neue Technologie gut für Anwendungen wie künstliche neuronale Netze mit geringem Stromverbrauch, die darauf abzielen, biologisches Sehen und Lernen nachzuahmen. Zukünftig könnte die Integration von Fotodetektion, Speicher und Verarbeitung in einzelne Perowskit-Geräte kompakte kameraähnliche Systeme ermöglichen. Durch den Wegfall der Notwendigkeit, separate Sensoren, Speichereinheiten und Logikkomponenten zu kombinieren, bietet der Ansatz einen Weg zu hochintegrierten Plattformen für visuelle Erfassung und künstliche Intelligenz. Die Forscher betonen, dass die bleifreie Zusammensetzung diese Technologie sicherer und nachhaltiger macht als herkömmliche bleihaltige Perowskit-Formulierungen. Die Übertragung des Konzepts auf andere bleifreie Perowskite könnte den Umfang der zugänglichen Wellenlängen und einstellbaren Eigenschaften weiter erweitern. Insgesamt bietet diese Perowskit-Bildgedächtnistechnologie mit Doppelfunktion einen neuen Entwurf für fortschrittliche Lichterfassungs- und Informationssysteme. Durch die Nachbildung wichtiger Aspekte des menschlichen Sehens in einem integrierten Gerät eröffnet es spannende Möglichkeiten für Technologien wie elektronische Augen, visuelle neuronale Netze und andere biomimetische Anwendungen. Die Kombination nützlicher Leistungskennzahlen mit Vielseitigkeit und einfacher Herstellung verdeutlicht das erhebliche Potenzial von Perowskiten, zukünftige Fortschritte in der Optoelektronik zu unterstützen.
By
Michael
Berger
a) Schematische Darstellung des menschlichen Sehsystems, wenn die Z-Form mit den Augen beobachtet wird. b) Schematische Darstellung des Lichtwegs und der entsprechenden Spuraufzeichnungsergebnisse (50 × 50 µm für jedes einzelne Pixel). c) Schematische Darstellung des fotoelektrischen Schreibens und der entsprechenden Datenspeicherergebnisse. d) Schematische Darstellung von 4 × 4-Arrays Au/Ag–Cs3Sb2I9–ITO (Indium-Zinn-Oxid-Filme) Doppelfunktionsgeräte. e) Das Foto-Bildergebnis des Geräts (Lichtintensität: 2.34 mW cm).-2). f,g) Datenspeicherung und Formgedächtnis des Bildes vor und nach 60 Minuten. h) Das Ergebnis des Arrays nach dem Zurücksetzen. i) Fotoaufnahmeergebnis des Geräts nach dem Zurücksetzen. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Das menschliche Gehirn integriert visuelle Eingaben der Augen mit Gedächtniszentren, die die Informationen speichern. Die künstliche Nachbildung dieses Prozesses ist jedoch eine Herausforderung, da hierfür Lichtsensoren, Speicherkomponenten und Logikschaltungen in ein einziges System integriert werden müssen. Das neue Perowskit-Gerät überwindet diese Hürde, indem es Lichtsensor- und Speicherfähigkeiten kombiniert. Perowskite erweisen sich aufgrund ihrer hervorragenden Lichtabsorptionseigenschaften und ihrer einfachen Herstellung als vielversprechende Materialien für optoelektronische Anwendungen. Die Forscher nutzten diese Vorteile, um ein Gerät mit Doppelfunktion zu entwickeln, das bleifreie Cäsium-Antimon-Iodid-Perowskit-Mikrotiterplatten verwendet. Eine der Aufgaben des Geräts ist die Lichterkennung. Stellen Sie sich die Perowskit-Mikrotiterplatte als einen supereffizienten Schwamm vor, aber für Licht statt für Wasser. Es kann Licht aus einer Vielzahl von Farben absorbieren, die wir mit unseren Augen sehen können. Wenn es als Teil eines Lichterkennungsaufbaus verwendet wird, leistet es außerordentlich gute Ergebnisse. Um Ihnen eine Vorstellung zu geben, sprechen wir über die „Lichtempfindlichkeit“. Betrachten Sie dies als die Fähigkeit des Geräts, auf Licht zu reagieren. Eine höhere Reaktionsfähigkeit bedeutet, dass es sehr geringe Lichtstärken erkennen und darauf reagieren kann, was es hochempfindlich macht. Dieses Perowskit-Gerät zeigt eine Lichtempfindlichkeit von 276 mA/W bei einer bestimmten grünen Lichtfarbe, was eine Messung ist, die weit über vielen anderen Lichterkennungsgeräten liegt. Nun zum Thema „Detektivarbeit“. Dieser Begriff bezieht sich darauf, wie gut das Gerät ein schwaches Lichtsignal bei Hintergrundgeräuschen empfangen kann – so als würde man ein Flüstern in einem überfüllten Raum hören. Je höher die Detektivität, desto besser ist die Erkennung schwacher Signale. Dieses Gerät verfügt über eine Detektivität von 4.7 × 1011 Jones stellt erneut seine überlegene Leistung im Vergleich zu den meisten anderen Lichtdetektoren unter Beweis. Die zweite Funktion ist die nichtflüchtige Speicherung. Der Perowskit fungiert als memristor, eine Art resistiver Direktzugriffsspeicher. Durch Anlegen einer kleinen Spannung von nur 0.15 V kann der Widerstandszustand des Perowskit-Memristors von hoch auf niedrig umgeschaltet werden. Dieser Übergang entspricht dem Schreiben eines Merkerbits. Das Gerät behält den geschriebenen Zustand über 7,000 Sekunden lang ohne Beeinträchtigung bei und ermöglicht so eine zuverlässige langfristige visuelle Informationsspeicherung. Die memristiven Eigenschaften ermöglichen es, vom Perowskit erkannte visuelle Muster zu speichern und später bei Bedarf abzurufen. Bemerkenswert ist, dass die doppelte Lichterkennung und Speicherfähigkeit in einem einzigen integrierten Gerät erreicht wird. Die Forscher demonstrierten ein 4x4-Pixel-Array, das eine sich bewegende Lichtquelle erkennen, das Beleuchtungsmuster erfassen, das Bild speichern und es später bei Bedarf abrufen konnte. Dadurch wird nachgeahmt, wie das menschliche Auge eine Szene wahrnimmt und sie in den Gedächtniszentren des Gehirns speichert. Die gespeicherten visuellen Muster konnten zuverlässig gelöscht und neu geschrieben werden, was die Wiederverwendbarkeit der Perowskit-Hardware unterstreicht. Die Kombination aus hervorragender Photodetektionsleistung und vielseitiger visueller Speicherkapazität in einem einzigen Gerät stellt einen erheblichen Fortschritt gegenüber früheren Technologien dar. Die Forscher erläutern die Wirkprinzipien, die die Doppelfunktionalität ermöglichen. Die Perowskit-Mikroplattenstruktur und das Energiebanddesign fördern eine effiziente Lichtabsorption und Ladungstransport, was dem starken Photodetektionsverhalten zugrunde liegt. Auf der Speicherseite mobilisieren Spannungsreize Ionen innerhalb des Perowskits, um leitfähige Filamente zu bilden und aufzubrechen. Dadurch wird der Widerstand umgeschaltet und der Speicherzustand programmiert. Im Vergleich zu herkömmlichen ohmschen Direktzugriffsspeichern weist die Perowskit-Version einen extrem niedrigen Stromverbrauch von bis zu 3×10 auf-11 W. Aufgrund der geringen Programmierenergie in Verbindung mit der leistungsstarken Lichtsensorik eignet sich die neue Technologie gut für Anwendungen wie künstliche neuronale Netze mit geringem Stromverbrauch, die darauf abzielen, biologisches Sehen und Lernen nachzuahmen. Zukünftig könnte die Integration von Fotodetektion, Speicher und Verarbeitung in einzelne Perowskit-Geräte kompakte kameraähnliche Systeme ermöglichen. Durch den Wegfall der Notwendigkeit, separate Sensoren, Speichereinheiten und Logikkomponenten zu kombinieren, bietet der Ansatz einen Weg zu hochintegrierten Plattformen für visuelle Erfassung und künstliche Intelligenz. Die Forscher betonen, dass die bleifreie Zusammensetzung diese Technologie sicherer und nachhaltiger macht als herkömmliche bleihaltige Perowskit-Formulierungen. Die Übertragung des Konzepts auf andere bleifreie Perowskite könnte den Umfang der zugänglichen Wellenlängen und einstellbaren Eigenschaften weiter erweitern. Insgesamt bietet diese Perowskit-Bildgedächtnistechnologie mit Doppelfunktion einen neuen Entwurf für fortschrittliche Lichterfassungs- und Informationssysteme. Durch die Nachbildung wichtiger Aspekte des menschlichen Sehens in einem integrierten Gerät eröffnet es spannende Möglichkeiten für Technologien wie elektronische Augen, visuelle neuronale Netze und andere biomimetische Anwendungen. Die Kombination nützlicher Leistungskennzahlen mit Vielseitigkeit und einfacher Herstellung verdeutlicht das erhebliche Potenzial von Perowskiten, zukünftige Fortschritte in der Optoelektronik zu unterstützen.
By
Michael
Berger
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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- Quelle: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=63737.php
