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研究报告：基于范德华异质结构的传感器实现传感器端宽带卷积处理
作者与出版信息
本研究由李靖（Lejing Pi）、王鹏飞（Pengfei Wang）、梁世俊（Shi-Jun Liang）、卢鹏（Peng Luo）、王浩云（Haoyun Wang）、李东彦（Dongyan Li）、李泽欣（Zexin Li）、陈平（Ping Chen）、周星（Xing Zhou）、苗峰（Feng Miao）、翟天佑（Tianyou Zhai）等人完成，研究成果发表于《Nature Electronics》期刊，2022年4月，第5卷，第248–254页。
研究背景
本研究主要涉及宽带卷积处理（broadband convolutional processing, BCP）在遥感图像处理中的应用，特别是如何通过范德华（van der Waals, VDW）异质结构实现传感器端宽带卷积处理。宽带卷积处理广泛应用于图像识别、环境监测等领域，具有提高图像识别精度的潜力。尤其在遥感图像处理中，宽带卷积处理可以更好地处理不同波段的图像信息。然而，传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术在实现宽带卷积处理时面临诸多挑战，因为这种处理需要同时进行宽带感测和卷积运算，这两项任务往往需要采用不同的物理工艺。
范德华异质结构是由不同带隙的二维材料堆叠而成，具有独特的电子和光电子特性，能够突破传统CMOS技术的局限性，成为实现宽带卷积处理的理想平台。本研究的目标是探讨如何利用钯二硒化物（PdSe2）/钼二硒化物（MoTe2）范德华异质结构，借助其门控调节的光电响应特性，实现传感器端的宽带卷积处理。
研究流程与实验方法
1. 材料制备与器件结构设计
本研究采用机械剥离法制备钯二硒化物（PdSe2）和钼二硒化物（MoTe2）的二维材料单层或少层薄片，并通过可控干转移法将这些材料堆叠成范德华异质结构。实验中，钯二硒化物和钼二硒化物的薄片被分别转移到硅基硅氧化物（SiO2/Si）衬底上，形成光电异质结。通过标准的电子束光刻（EBL）技术在器件表面蒸镀金属电极（Cr/Au）以形成源极和漏极。
光电特性测试
对所制备的器件进行了系统的光电性能测试，包括不同波长（365 nm、532 nm和980 nm）的激光照射下的光电流测量。在不同栅电压（−10 V、+10 V）下，测试了器件的正负光电流响应特性。研究表明，PdSe2/MoTe2异质结构在宽光谱范围内（从紫外到近红外）均表现出可调的光电响应，这一特性对于宽带卷积处理至关重要。
宽带卷积处理的实现
本研究基于钯二硒化物/钼二硒化物异质结构的宽带光电响应，通过改变栅电压来调节卷积核的权重，从而实现不同波长图像的卷积处理。每个像素的光电响应可以通过栅电压的调节进行线性控制，进而在图像处理中实现卷积操作。研究还采用了遥感图像数据集，通过卷积神经网络（CNN）对图像进行处理和识别。
实验设计与数据分析
为了验证宽带卷积处理的效果，研究者使用了Jasper Ridge数据集中的多光谱图像（包括“道路”、“土壤”、“水”和“树”四种地物类型）。通过对不同波段的图像进行卷积处理，研究者实现了图像的边缘增强和锐度提升操作。图像的处理结果表明，基于范德华异质结构的传感器能够显著提高图像的识别精度，并有效提升图像细节的表现。
主要研究结果
1. 宽带光电响应特性
PdSe2/MoTe2范德华异质结构器件展现了从紫外到近红外（UV到NIR）宽波段的光电响应。通过调整栅电压，研究者可以调节不同波长的光电流响应，包括正负光电流的方向控制。此外，光电响应在光强度和栅电压的调节下呈现出线性关系，这为宽带卷积处理提供了可靠的物理基础。
图像卷积处理的实现
在遥感图像处理实验中，研究者采用了基于宽带卷积神经网络（CNN）的方法，进行多波段图像的处理和模式识别。通过与单波段卷积网络进行比较，研究发现，基于传感器端宽带卷积处理的网络能够显著提高图像识别精度。实验结果表明，使用该网络进行图像分类时，识别准确率几乎接近100%，而传统的单波段卷积网络在相同条件下仅能达到90%的准确率。
图像锐度与边缘增强操作
本研究还实现了图像的锐度提升和边缘增强操作，通过调节栅电压，研究者能够调控卷积核的权重，进而对遥感图像进行实时的锐化和边缘处理。这些操作使得图像的细节更加清晰，为高精度图像识别提供了支持。
结论与意义
本研究提出了基于PdSe2/MoTe2范德华异质结构的传感器端宽带卷积处理方案，并成功实现了宽带卷积神经网络（CNN）在遥感图像中的应用。研究结果表明，该方法在多波段图像识别中的应用，显著提高了识别准确率，并能够实现图像的锐度提升和边缘增强等处理功能。这一研究为智能边缘设备和高精度图像识别系统提供了新的技术途径，特别是在遥感图像处理、环境监测等领域具有重要的应用潜力。
研究亮点与创新点
1. 创新的器件结构
通过将钯二硒化物与钼二硒化物两种二维材料堆叠形成范德华异质结构，本研究提出了一种新的光电传感器结构。该结构不仅具有优异的宽带光电响应特性，还能够通过调节栅电压实现卷积核的调节，为传感器端卷积处理提供了物理基础。
实现了实时图像处理
本研究首次实现了在传感器端进行宽带卷积处理，并成功应用于遥感图像的锐度提升和边缘增强。这一突破为低功耗、高效的图像处理提供了新的解决方案。
高精度的图像识别
基于传感器端宽带卷积处理的图像识别网络，相比于传统的单波段网络，能够实现更高的识别精度。这一成果对于提升遥感图像的分析能力具有重要意义。
未来展望
本研究的成果为将宽带卷积处理技术应用于遥感图像识别提供了理论依据和实验支持。未来，随着二维材料的大规模合成和器件集成技术的进步，该技术有望在更大规模的图像处理系统中得到应用。此外，进一步的优化工作可围绕器件结构、性能提升以及集成化方面展开，以推动该技术的实际应用。