Оптоэлектронное устройство с двухрежимной 0D/2D пространственной асимметрией, реализованное методом локального фемтосекундного лазерного осаждения

Более умные электронные «глаза» для роботов будущего

Современным роботам и носимым устройствам требуется зрение, которое не только четко и быстро, но и способно обучаться на увиденном. Сегодня эти функции обычно достигаются с помощью множества отдельных компонентов и сложной коммутации. В этой работе предложен новый тип миниатюрного «электронного глаза», который одновременно может обнаруживать быстрые изменения света и запоминать визуальную информацию в одном простом устройстве. Такая технология может помочь создать более компактные и энергоэффективные камеры для искусственного интеллекта, гуманоидных роботов и систем дополненной реальности.

Крошечное устройство, которое видит и запоминает

Наши глаза выполняют две задачи одновременно: быстро реагируют на свет и передают мозгу информацию, которая может сохраняться в памяти. В отличие от них, большинство камер и микросхем распределяют эти функции по разным элементам. В этой работе авторы объединяют обе функции в одном миниатюрном компоненте, который они называют оптоэлектронным устройством с двухрежимной работой. В зависимости от схемы подключения та же структура может действовать либо как высокоскоростной светодетектор, либо как нейроморфный сенсор зрения, который ведет себя подобно биологической синапсе, усиливая отклик в ответ на предыдущую засветку. Простая смена направления приложенного напряжения переключает устройство между этими двумя режимами.

Сборка из плоских листов и крошечных точек

Устройство построено из чрезвычайно тонких материалов. Основа — плоский лист дисульфида молибдена, MoS₂, толщиной всего в несколько десятков атомов, который служит основным проводящим каналом. На часть этого листа исследователи наносят нулевомерные наночастицы черного фосфора — крошечные точечки всего в несколько нанометров в диаметре — в то время как другая часть закрыта защитным слоем из гексагонального нитрида бора. Это намеренное нарушение симметрии, когда одна сторона покрыта частицами, а другая защищена маской, создает встроенную лево‑правую асимметрию, которая оказывается ключевой для двойного поведения устройства.

Формирование материи ультракороткими лазерными импульсами

Чтобы разместить наночастицы точно в нужных местах, исследователи разработали метод, названный микрозональным фемтосекундным лазерным осаждением. Вместо того чтобы распылять частицы по всей пластине с помощью жидкостей или покрытий большого размера, они фокусируют ультракороткий лазер на крошечном фрагменте черного фосфора. Каждый импульс длится всего несколько квадриллионных долей секунды, что позволяет выбивать материал без нагрева и повреждения соседних структур. Вылетевший материал образует «аэрозоль» наночастиц, который проходит лишь около 16 микрометров — примерно одну пятую ширины человеческого волоса — прежде чем осесть на открытую область MoS₂. Путем настройки энергии лазера и геометрии эксперимента команда контролирует количество образующихся частиц, их размер и степень распространения, создавая чистые и точные узоры по требованию.

От быстрого «фотоаппарата» до обучающего пикселя

Оказавшись на месте, наночастицы выполняют двойную роль. С одной стороны, они донорят электроны листу MoS₂, повышая его проводимость и улучшая чувствительность к свету в широком диапазоне — от ультрафиолета до ближнего инфракрасного. С другой стороны, при освещении часть зарядов захватывается в наночастицах и задерживается там, фактически «управляя» током в подлежащем листе даже после выключения света. Этот эффект, похожий на память, позволяет устройству при одном направлении подключения вести себя как нейроморфный сенсор: повторяющиеся вспышки света усиливают его электрический отклик, подобно тому, как биологические синапсы укрепляют связи. При обратном направлении подключения используется только быстрая, кратковременная часть отклика, обеспечивая скоростной фотодетектор, способный отслеживать мерцающий свет с частотой до нескольких тысяч герц.

К более компактному и энергоэкономичному машинному зрению

Авторы показывают, что их единое устройство может одновременно отслеживать очень быстрые световые сигналы — быстрее, чем способен различить человеческий глаз — и хранить визуальные паттерны, потребляя при этом крайне мало энергии на событие. В компьютерных тестах массивы таких устройств могли с высокой точностью распознавать рукописные цифры, что указывает на их потенциал в качестве строительных блоков для аппаратного машинного зрения будущего. Для непрофессионала суть в том, что эта работа предлагает способ уменьшить целую камеру плюс часть мозгоподобного процессора до гораздо более простого и эффективного элемента. Это в перспективе может привести к более тонким «умным» очкам, маневренным роботам и другим системам, чьи «глаза» одновременно видят быстро и учатся на опыте.

Цитирование: 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

Ключевые слова: нейроморфное зрение, фотодетектор, 2D материалы, наночастицы черного фосфора, фемтосекундное лазерное осаждение