金属所发明用于低对比度目标探测的可调灵敏度光电晶体管

 

　　针对上述挑战，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心科研人员从人眼视觉适应机制中获得启发，提出了一种仿生可调灵敏度光电晶体管，为复杂光照条件下低对比度目标的高灵敏、抗噪声探测提供了新方案。相关研究成果以题为“Bioinspired phototransistor with tunable sensitivity for low-contrast target detection”的论文，于2026年1月2日发表在Nature旗下国际光学期刊Light: Science & Applications上。
 

　　人类视觉系统依赖视锥细胞与视杆细胞的协同作用，并通过感光蛋白的动态调节，实现对不同光强区间的自适应感知，从而在极宽的整体动态范围内仍能准确识别局部低对比度目标。受此启发，科研人员在光电晶体管中引入了一种具有自适应光响应特性的栅极光敏结构，使器件灵敏度能够随光强和外加电压动态调节，从而模拟人眼“按需感知”的工作模式(图1)。利用氧等离子体处理的MoS2与本征MoS2构建光电二极管，并将其引入晶体管栅极，构筑了一种新型仿生光电晶体管结构。该光敏二极管的电导率随光照强度自适应变化，进而重构栅极电压在二极管与栅介质之间的分配关系，实现对特定光强区间电学响应的显著放大(图2)。
 

　　通过调节栅压，器件可精准设定其高灵敏响应窗口，仅对目标光强范围内的微弱变化产生显著输出信号，而对无关背景光和噪声实现有效抑制。实验结果表明，该仿生光电晶体管在低对比度目标探测中展现出显著优势，其探测灵敏度较传统光电探测器提升超过三个数量级，同时具备优异的抗噪声干扰能力(图3)。在复杂光照和强背景干扰条件下，器件仍能够稳定、清晰地识别目标特征，为低对比度视觉感知提供了一种高效、紧凑的新型解决方案(图4)。
 

　　本研究由金属所孙东明研究员、刘驰研究员和成会明院士共同指导。金属所博士研究生韩如月、辽宁大学贾大宇副教授、金属所李波副研究员和冯顺副研究员为共同第一作者，贾大宇副教授开展了机器视觉系统的仿真设计工作，山西大学/辽宁材料实验室韩拯教授在器件制备方面提供了重要支持。
 

　　该成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院、辽宁省科技厅、金属所及沈阳材料科学国家研究中心等多个项目与机构的资助。
 

　　图 1.仿生可调灵敏度光电探测器。a人眼视网膜通过光适应机制在不同光照条件下实现高效视觉感知。视杆细胞和视锥细胞可根据环境光强动态调节自身灵敏度，从而在强光与弱光条件下均保持良好的感知能力。b 视网膜、传统光电探测器与仿生光电探测器的光响应特性对比。视网膜和仿生光电探测器能够突出目标与背景之间的相对光强差异，并有效抑制无关噪声；而传统光电探测器由于灵敏度固定、响应关系单一，难以对低对比度目标进行有效识别。
 

　　图2.可调灵敏度光电晶体管的结构与工作特性。a 可调灵敏度光电晶体管的结构示意图，由MoS2场效应晶体管与光电二极管集成构成。其中，h-BN同时作为介电层和保护层，石墨作为接触电极与栅极。b,c 器件关键异质结构的截面高分辨透射电镜图像，表明各功能层之间界面清晰、结构完整。d,e 氧等离子体处理前MoS2中元素组成的变化，验证了光电二极管的形成。f,g 器件在暗态与光照条件下的能带结构示意图，展示了光照引起的电学调控机制。h 器件等效电路示意图。i 器件在暗态及不同光强照射下的转移特性曲线，表明其光响应可随光强和栅压实现有效调控。
 

　　图3.可调灵敏度光电晶体管的光电性能。a 器件在不同光强和不同栅压条件下的光响应行为，表明其光电响应可通过栅压进行有效调控。b 不同栅压下器件电流随入射光强变化的关系，显示出对特定光强区间的增强响应特性。c 可调灵敏度光电晶体管与传统光电晶体管在不同光强条件下的电流变化对比，表明该器件能够放大目标光强变化并抑制无关背景信号。d 可调灵敏度光电晶体管与传统光电晶体管在不同光强条件下的响应度对比，显示其在低光强和低对比度条件下具有显著优势。
 

　　图4.低对比度目标的稳健识别能力。a 集成可调灵敏度光电晶体管阵列的智能机器视觉系统示意图。b 采用传统光电晶体管阵列与可调灵敏度光电晶体管阵列进行成像的对比结果，显示后者在低对比度条件下能够更清晰地突出目标特征。c 在不同平均对比度条件下，可调灵敏度光电晶体管与传统光电晶体管的识别准确率对比，表明前者在复杂光照环境中具有明显优势。d 在椒盐噪声干扰条件下的识别结果对比，显示可调灵敏度光电晶体管在强噪声环境下仍保持较高的识别鲁棒性。