Dubbelmodale 0D/2D ruimtelijke asymmetrie opto-elektronisch apparaat mogelijk gemaakt door in situ microzone femtoseconde laserdepositie

Slimmere elektronische ogen voor toekomstige robots

Moderne robots en draagbare apparaten hebben steeds vaker visie nodig die niet alleen scherp en snel is, maar ook kan leren van wat ze zien. Vandaag vereisen die mogelijkheden meestal veel afzonderlijke componenten en complexe bedrading. Dit onderzoek introduceert een nieuw type klein “elektronisch oog” dat zowel snelle lichtveranderingen kan detecteren als visuele informatie kan onthouden, alles in één eenvoudig apparaat. Zulke technologie kan helpen bij het bouwen van compactere, energiezuinigere camera’s voor kunstmatige intelligentie, humanoïde robots en systemen voor augmented reality.

Een klein apparaat dat ziet en onthoudt

Onze eigen ogen doen twee dingen tegelijk: ze registreren licht snel en leveren informatie aan de hersenen die als geheugen kan worden opgeslagen. Daarentegen spreiden de meeste camera’s en chips deze taken over veel elementen. In dit werk combineren de auteurs beide functies in één miniatuurcomponent die ze een dubbelmodale opto-elektronische eenheid noemen. Afhankelijk van hoe hij is bedraad, kan dezelfde structuur fungeren als een hogesnelheids-lichtdetector of als een neuromorfe visiesensor die enigszins lijkt op een biologische synaps, waarbij de reactie wordt versterkt op basis van eerdere belichting. Met een simpele omkering van de spanningsrichting schakelt het apparaat tussen deze twee persoonlijkheden.

Bouwen met vlakke vellen en kleine stippen

Het apparaat is opgebouwd uit extreem dunne materialen. De basis is een vlak vel molybdeendisulfide, of MoS₂, slechts enkele tientallen atomen dik, dat dient als hoofdpad voor elektrische stroom. Bovenop een deel van dit vel deponeert het team nul-dimensionale zwarte fosfor-nanodeeltjes—kleine deeltjes van slechts enkele nanometers—terwijl een ander deel wordt afgeschermd door een beschermende laag van hexagonaal boornitride. Deze bewuste onbalans, waarbij de ene zijde is bedekt met deeltjes en de andere zijde gemaskeerd is, geeft het apparaat een ingebouwde links-rechts asymmetrie die cruciaal blijkt voor zijn dubbele gedrag.

Materiaalkunst met ultrakorte laserpulsen

Om de nanodeeltjes precies op de juiste plaats te brengen, ontwikkelden de onderzoekers een methode genaamd Microzone Femtosecond Laser Deposition. In plaats van deeltjes over een hele chip te verspreiden met vloeistoffen of grootschalige coatings, richten ze een ultrakorte laser op een tiny vlokje zwarte fosfor. Elke laserpuls duurt slechts enkele quadriljoensten van een seconde, waardoor materiaal kan loskomen zonder omliggende structuren te verhitten of te beschadigen. Het weggeslagen materiaal vormt een spray van nanodeeltjes die slechts ongeveer 16 micrometer reist—ongeveer een vijfde van de breedte van een mensenhaar—voordat het neerkomt op het blootgestelde MoS₂. Door de laserenergie en geometrie af te stemmen, kan het team bepalen hoeveel deeltjes ontstaan, hoe groot ze zijn en hoe ver ze zich verspreiden, waardoor schone, precieze patronen op aanvraag ontstaan.

Van snelle camera naar lerende pixel

Eens op hun plek vervullen de nanodeeltjes een dubbele rol. Ten eerste doneren ze elektronen aan het MoS₂-vel, waardoor het geleidelijker wordt en de gevoeligheid voor licht verbetert over een breed spectrum, van ultraviolet tot nabij-infrarood. Ten tweede raken bij belichting sommige ladingen gevangen in de deeltjes en blijven daar hangen, waardoor ze de stroom in het onderliggende vel tijdelijk “poorten” zelfs nadat het licht is uitgezet. Dit geheugenachtige effect maakt het mogelijk dat het apparaat, bij één bedradingrichting, functioneert als een neuromorfe sensor: herhaalde lichtflitsen versterken zijn elektrische reactie op een manier die lijkt op hoe biologische synapsen verbindingen versterken. Bij de omgekeerde bedradingrichting wordt alleen het snelle, tijdelijke deel van de reactie gebruikt, wat resulteert in een snelle fotodetector die flikkerend licht kan volgen tot meerdere duizenden keren per seconde.

Op weg naar compacte, energiezuinige machinale visie

De onderzoekers tonen aan dat hun enkele apparaat zowel zeer snelle lichtsignalen kan volgen—sneller dan het menselijk oog kan waarnemen—als visuele patronen kan opslaan met extreem weinig energie per gebeurtenis. In computertests konden arrays van dergelijke apparaten handgeschreven cijfers met hoge nauwkeurigheid herkennen, wat wijst op hun potentieel als bouwstenen voor toekomstige machine-visie hardware. Voor een leek is de kernboodschap dat dit werk een manier biedt om een hele camera plus delen van een hersachig verwerkingssysteem te verkleinen tot een veel eenvoudiger, efficiënter element. Dat kan uiteindelijk leiden tot slankere slimme brillen, wendbaardere robots en andere systemen waarvan de “ogen” tegelijkertijd snel zien en leren van ervaring.

Bronvermelding: Li, Z., Zou, G., Huo, J. et al. Dual-mode 0D/2D spatial asymmetry optoelectronic device enabled by in situ microzone femtosecond laser deposition. Light Sci Appl 15, 153 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02195-8

Trefwoorden: neuromorfe visie, fotodetector, 2D-materialen, zwarte fosfor-nanodeeltjes, femtoseconde laserdepositie