Nature子刊！小型无掩膜光刻助力光电运动检测传感器实现全天候检测
发布日期：2024-04-02
论文题目：Non-volatile rippled-assisted optoelectronic array for all-day motion detection and recognition
发表期刊：Nature Communications IF: 17.65
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46050-z
【引言】
随着人工智能和信息技术的进步，运动检测和识别 (MDR) 技术在自动驾驶、安全监控、道路交通管制和军事相关等领域变得越来越重要。当前基于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 图像传感器对运动检测存在着一些不足。例如，传感器对光线依赖性强和缺乏数据处理能力。对光线的依赖导致了这些传感器仅在明亮的环境下能高效检测运动，在黑暗环境下表现不佳。缺乏数据处理能力会造成传感器无法提取和处理运动信息的问题。使得现有的传感器难以分析运动轨迹或识别具体物体。此外，将图像传感器的大量数据转换为数字形式以便进行数据传输和存储，也会导致时间和电力的浪费。
【成果简介】
为了解决上述在运动检测领域所存在的问题，2024年2月复旦大学相关课题组联合中科院相关团队利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3，将MoS2二维材料制备出形变增强光电器件（RAO）。所制备出的器件仅能够实现持续可重构的非易失性正负光电导，还在室温下具有高的迁移率和光存储动态范围。由于所制备的RAO光电器件阵列模仿了蛇的视觉系统特性，可在全天候运动检测和识别 (MDR) 方面实现从可见光 (405 nm) 到近红外 (940 nm) 的宽带谱检测。相关工作以《Non-volatile rippled-assisted optoelectronic array for all-day motion detection and recognition》为题，在SCI期刊《Nature Communications》上发表。
文中使用的小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3克服了传统光刻工艺中需要掩膜版的难题，通过电脑控制DMD微镜矩阵开关，经过光学系统调制，直接在光刻胶上曝光绘出所要的图案。与此同时，该设备还具备结构紧凑（70cm X 70cm X 70cm）、直写速度高，高分辨率（XY：<1 μm）等特点。采用集成化设计，全自动控制，可靠性高，操作简便。凭借这些优势，MicroWriter ML3为本研究器件的成功制备提供了关键技术支持。
小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3
【图文导读】
图1. RAO光电器件结构示意图。（a）RAO光电器件的3D概念图，每一个单元构成图像中的一个像素。（b）由MicroWriter ML3所制备的RAO光电器件的光学表征结果。（c）RAO器件中MoS2形变部分的扫描透射表征结果。（d）64个RAO光电单元的拉曼表征结果，和（e）RAO光电器件的拉曼图谱分析结果。（f）两种NV色心在RAO器件中随时间的变化结果。（g）和（h）在光照条件下正负光电导的变化机理示意图。
图2. RAO光电器件的光电性能表征结果。（a）VDS为0.5V的条件下IDS随VBG的变化结果。（b）由光诱导的两种NV色心的状态统计。（c）RAO器件中电子迁移率的统计结果。（d）RAO 阵列的阈值电压统计特性与迁移率的统计特性类似，都服从正态分布。（e）和（f）每个像素最小和最大的IDS。(g) 本工作中电子迁移率与已报到工作相比较。(h) 本工作与之前工作中电子迁移率和厚度间的比较。(i)本工作与他人工作中器件的光学动态范围比较。
图3. 通过MicroWriter ML3制备的光电器件的光学和扫描电镜表征结果。（a），(b）和（c）为光学结果。（d），(e)和(f)为器件的扫描电镜表征结果。
图4. 受到蛇眼启发的全天候运动检测系统。（a）和（b）蛇眼捕捉动态目标的原理。(c)在有足够光线条件下的RAO运动检测结果。（d）在光线不足条件下的检测结果。
【结论】
论文中，复旦大学和中科院的相关团队利用MicroWriter 小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备了基于MoS2的二维光电检测器件。由于该器件利用了MoS2的形变效应，显著提高了器件中的电子迁移率。与同类器件相比，论文中所制备出的光电检测器件光学检测范围更大，数据处理能力更强，功耗更低。该工作为需要进行全天候光学动态检测的相关领域，提供了新的方案，更提供了新的解决思路。从论文中还可以看出，MicroWriter ML3无掩模光刻机得益于其强大的光刻和套刻能力，可以十分方便地实现实验中所设计图形的曝光，是各学科科研中制备各类微纳器件的得力助手。
