Optoelektronisk enhet med dubbla lägen 0D/2D och rumslig asymmetri möjliggjord av in situ mikrozons femtosekundlaser‑deposition

Smarte elektriska ögon för framtidens robotar

Moderna robotar och bärbara enheter behöver allt oftare syn som inte bara är skarp och snabb utan också kan lära sig från det den ser. I dag kräver sådana förmågor vanligen många separata komponenter och komplexa kopplingar. Denna forskning presenterar en ny typ av litet ”elektroniskt öga” som både kan upptäcka snabba ljusförändringar och minnas visuell information — allt i en enda enkel enhet. Sådan teknik kan bidra till mer kompakta, energieffektiva kameror för artificiell intelligens, humanoida robotar och förstärkt verklighet.

En liten enhet som ser och minns

Våra egna ögon gör två saker samtidigt: de uppfattar ljus snabbt och skickar information till hjärnan som kan lagras som minnen. De flesta kameror och chip delar däremot upp dessa uppgifter på många element. I detta arbete kombinerar författarna båda funktionerna i en miniatyrkomponent som de kallar en dubbel-läge optoelektronisk enhet. Beroende på hur den kopplas kan samma struktur antingen fungera som en högfrekvent ljusdetektor eller som en neuromorfisk synsensor som beter sig lite som en biologisk synaps och stärker sitt svar baserat på tidigare belysning. Med en enkel ändring av spänningsriktningen växlar enheten mellan dessa två personligheter.

Byggd av platta skikt och pyttesmå prickar

Enheten är byggd av extremt tunna material. Basen är ett platt ark av molybden‑disulfid, eller MoS₂, bara några dussin atomer tjockt, vilket fungerar som huvudväg för elektrisk ström. Ovanpå en del av detta ark deponerar teamet noll‑dimensionella svart fosfor‑nanopartiklar — små partiklar bara några nanometer i diameter — medan en annan del skyddas av ett lager av hexagonalt boronitrid. Denna avsiktliga obalans, där ena sidan är täckt med partiklar och den andra maskeras, ger enheten en inbyggd vänster‑höger‑asymmetri som visar sig vara avgörande för dess dubbla beteende.

Formning av materia med ultrakorta laserpulser

För att placera nanopartiklarna exakt där de behövs utvecklade forskarna en metod kallad Microzone Femtosecond Laser Deposition. Istället för att sprida partiklar över ett helt chip med vätskor eller beläggning över stor yta, fokuserar de en ultrarapid laser på en liten flisa av svart fosfor. Varje laserpuls varar endast några få kvadriljondelar av en sekund, vilket låter den slå loss material utan att värma upp och skada närliggande strukturer. Det utslungade materialet bildar en spray av nanopartiklar som färdas endast omkring 16 mikrometer — ungefär en femtedel av tjockleken på ett mänskligt hårstrå — innan det landar på det exponerade MoS₂. Genom att finjustera laserenergin och geometrin kan teamet kontrollera hur många partiklar som bildas, hur stora de är och hur långt de sprids, och därigenom skapa rena, precisa mönster på begäran.

Från snabb kamera till lärande pixel

När nanopartiklarna väl sitter på plats utför de dubbla uppgifter. För det första donerar de elektroner till MoS₂‑arket, vilket gör det mer ledande och förbättrar dess känslighet för ljus över ett brett spektrum, från ultraviolett till nära‑infrarött. För det andra, när ljus träffar strukturen, blir vissa laddningar fångade i partiklarna och blir kvar där en tid, vilket i praktiken ”grindar” strömmen i det underliggande arket även efter att ljuset släckts. Denna minnesliknande effekt gör att enheten, vid en kopplingsriktning, beter sig som en neuromorfisk sensor: upprepade ljusblixtar stärker dess elektriska svar på ett sätt som liknar hur biologiska synapser förstärker kopplingar. Vid motsatt kopplingsriktning används endast den snabba, övergående delen av svaret, vilket ger en snabb fotodetektor som kan följa flimmer upp till flera tusen gånger per sekund.

Mot kompakt, energisnål maskinsyn

Forskarna visar att deras enhet ensam både kan följa mycket snabba ljussignaler — snabbare än vad det mänskliga ögat kan uppfatta — och lagra visuella mönster med extremt låg energiförbrukning per händelse. I datortester kunde arrayer av sådana enheter känna igen handskrivna siffror med hög noggrannhet, vilket antyder deras potential som byggstenar för framtida maskinsynshårdvara. För en lekmannapublik är slutsatsen att detta arbete erbjuder ett sätt att krympa en hel kamera plus delar av en hjärnlik processor till ett mycket enklare, mer effektivt element. Det kan i förlängningen leda till tunnare smarta glasögon, rörligare robotar och andra system vars ”ögon” både kan se snabbt och lära av erfarenhet samtidigt.

Citering: 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

Nyckelord: neuromorfisk syn, fotodetektor, 2D‑material, svart fosfor‑nanopartiklar, femtosekundlaser‑deposition