神经形态视觉系统以感-存-算一体化架构在传感器前端并行处理信息，为下一代机器视觉提供了极具前景的硬件路径。然而，当前实现大多局限于运动检测或视觉记忆等单一功能，难以满足自动驾驶、工业检测等复杂动态场景的需求。构建多功能集成硬件平台，要求器件单元需同时具备动态突触特性和光可重构的兴奋-抑制双极响应能力。前者负责编码运动信息与视觉记忆，后者则用于模拟视网膜的“中心‑周边”感受野以实现边缘提取与特征增强。现有方法多依赖界面或缺陷态陷阱，面临多层结构工艺复杂、响应可控性差、光响应弱等挑战，严重制约大规模集成与多功能化。

近日，课题组开发了一种结构极简、捕获可控且高光响应的光学可重构双极（ORB）神经形态视觉器件，其核心是一种光调控自由基双极掺杂策略。以galvinoxyl自由基（GX）作为波长依赖型双极掺杂剂，掺杂至高迁移率聚合物中，触发波长依赖的电荷转移：808 nm光照下，GX作为p型掺杂剂捕获光生电子，提高空穴浓度，产生兴奋性响应；450 nm光照下，GX作为n型掺杂剂捐赠电子，与空穴复合，降低空穴浓度，产生抑制性响应。基于此，团队成功构建了256×256像素的大规模神经形态视觉系统，在单一芯片上集成了动态运动检测、时空视觉记忆和对比增强边缘提取三大视觉功能。相关成果以“Multifunctional Neuromorphic Vision Enabled by Photo‑Regulated Radical”为题发表于《Advanced Materials》。

图1. 光调控自由基双极掺杂策略及256×256神经形态视觉系统功能示意图。

要点一：ORB神经形态器件双极突触可塑性

GX的单占未占据分子轨道（SUMO）能级位于PDPP‑DTT的HOMO与LUMO之间，为光控电荷转移提供条件。器件采用ITO/活性层/Ag的垂直结构，在808 nm光下电流逐渐上升、撤光后缓慢衰减（兴奋）；450 nm光下电流先尖峰后持续下降、撤光低于暗态（抑制）。通过调节光脉冲时长、频率和数量，成功模拟了STDP、SFDP、SNDP等突触可塑性并验证了其长时可塑性。

图2. ORB器件的突触可塑性：兴奋与抑制性ΔPSC随光照时长、频率、脉冲数量的变化。

要点二：光调控双极掺杂机制

未掺杂对照器件仅微弱光探响应，证实突触功能源于GX的引入。OFET阈值电压提取显示：未掺杂器件在各种条件下阈值电压基本不变（≈15.6 V）；GX掺杂器件暗态为15.1 V，808 nm光照后正向漂移至16.8 V（p型掺杂），450 nm光照后负向漂移至13.5 V（n型掺杂）。莫特‑肖特基分析定量给出载流子密度：暗态2.19×10¹⁶ cm⁻³，808 nm后增至2.41×10¹⁶ cm⁻³，450 nm后降至1.93×10¹⁶ cm⁻³。EPR、fs‑TA、KPFM等多手段证实了自由基介导的波长可编程载流子调制行为。

图3. ORB器件光调控载流子调制机理。

要点三：片上集成三大视觉功能

运动检测：移动“哪吒”图案光源，器件利用非易失性记忆在撤光后仍保留光电流轨迹，可清晰重建运动路径，实现实时运动跟踪。时空记忆：多组数字序列投影，器件将整个序列历史编码于像素权重分布，经卷积神经网络训练后序列识别准确率达92.0%，验证了非易失性突触记忆作为时空信息存储与检索物理基质的可行性。边缘增强：808 nm背景光下局部圆斑照射，兴奋模式仅微弱对比（+7.02），兴奋-抑制协同模式使圆内显著变暗（‑24.01），成功模拟了视网膜的侧抑制“中心‑周边”感受野，实现边缘锐化。

将该预处理应用于CIFAR‑10图像分类，兴奋-抑制双模式将ResNet‑18的分类准确率从仅兴奋模式的84%提升至90%，直观证明了光控双极突触对实际机器视觉任务的增益。

图4. 256×256系统集成的三大视觉功能。

总结：

该工作利用GX作为波长依赖双极掺杂剂，在单层器件中实现光学可重构双极突触，构建了256×256大规模神经形态视觉硬件，集成了运动检测、时空记忆和边缘增强三大功能，并将CIFAR‑10分类准确率从84%提升至90%。为复杂动态环境下的高性能神经形态视觉提供了可扩展硬件路径。

论文第一作者为课题组博士生李秋，通讯作者为课题组黄辉教授和陈皓副教授。研究获国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金与中国科学院国际伙伴计划等资助。

【原文链接】

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73363