【会员论文】Rare Metal丨超越光感知！复旦大学联合苏州纳米所、空天大、西工大团队利用二维β相氧化镓肖特基二极管实现果蝇下游神经回路仿生视觉

日期：2026-07-17阅读：130

由复旦大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、空天信息大学、西北工业大学的研究团队在学术期刊 Rare Metals 发布了一篇名为 Beyond Photoreceptors: Bio-Inspired Neuromorphic Vision System Mimicking Drosophila's Downstream Neural Circuitry With 2D β-Ga₂O₃ Schottky Diodes（超越光感受器：基于生物启发的类神经视觉系统，利用二维 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管模拟果蝇的下游神经回路）的文章。

期刊介绍

Rare Metals（《稀有金属》）是由中国有色金属学会与Wiley联合出版的国际化材料科学期刊，创刊于1980年，主要报道稀有金属、先进材料及相关功能器件领域的前沿研究成果。期刊涵盖稀土材料、宽禁带半导体、二维材料、能源材料、纳米材料、光电器件及类脑智能器件等方向，重点关注具有重要科学价值和应用潜力的创新性研究。作为材料领域高影响力期刊，Rare Metals已被SCI收录，并长期保持JCR Q1分区水平，发表原创研究论文、综述及评论文章，注重材料设计、制备工艺、结构表征与性能验证的系统性研究。近年来，该刊在氧化物半导体、光电探测、人工视觉与新型电子器件等前沿方向持续受到关注，为先进材料与未来信息技术交叉领域的重要成果提供了展示平台。

背景

仿生视觉芯片是自主机器人、人工视觉假体、类脑计算系统的核心硬件，现有绝大多数仿生光电器件仅复刻视网膜光感受器的光电转换功能，忽略果蝇视觉系统中 L1/L2 单层极细胞等下游神经信号处理单元，无法片上完成明暗分离、时序滤波、运动相关乘法运算等复杂视觉计算，硬件层面存在明显功能断层。β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带二维半导体，具备原子级平整表面、无悬挂键界面优势，理论可制备近理想肖特基结，但现有二维氧化镓器件多用于紫外探测，尚未应用于仿生运动感知电路。经典哈森斯坦-赖夏特运动检测模型依赖半波整流与时序差分运算，传统硅基电路面积大、高频响应受限，缺少基于宽禁带二维二极管的轻量化硬件实现方案；同时现有研究仅验证简单左右光栅识别，未完成旋转复杂运动场景阵列仿真，缺少可同时兼容高速信号整流与多维运动解码的一体化仿生视觉硬件，该方向存在显著研究空白。

主要内容

仿生人工视觉系统已取得长足发展，但绝大多数研究仅聚焦光感受器器件，忽视运动检测等复杂计算所需高效下游神经回路的硬件实现。为解决该瓶颈，该团队基于二维单晶 β-Ga₂O₃ 制备高性能肖特基势垒二极管，搭建可模拟果蝇运动感知通路的类神经视觉系统。二维 β-Ga₂O₃ 器件具备原子级锐利半导体-金属界面，整流比高于 10⁸，理想因子低至 1.08，可在 10 MHz 高频下稳定完成半波整流。该整流特性可复刻果蝇视觉回路核心功能：半波整流实现明暗（ON/OFF）信号分离，阻容集成电路完成非对称时序滤波。基于硬件版哈森斯坦 - 赖夏特相关器模型，该系统可精准判别移动光栅运动方向；80 × 80 二极管阵列仿真进一步验证其可解析复杂旋转运动、生成光流场并定位旋转中心。本工作结合材料科学与神经科学，搭建可完整实现仿生视觉处理流程硬件原型，为下一代小型化智能视觉系统奠定基础。

创新点

①提出一套超越单纯光感受器的全硬件类神经视觉系统，完整实现果蝇下游运动神经计算功能。

②制备具有原子级锐利界面的二维单晶 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管，整流比超 10⁸，最高可稳定实现 10 MHz 高频整流。

③硬件搭建哈森斯坦-赖夏特相关器模型，实现左右移动光栅信号方向判别。

④完成 80 × 80 二极管阵列仿真，实现旋转运动解析、光流场提取与旋转中心定位。

结论

综上，该团队成功设计并搭建仿生类神经视觉系统，可完整模拟果蝇视觉下游神经回路。依托二维单晶 β-Ga₂O₃ 优异材料特性，制备出具备近理想特性、高频整流性能突出的肖特基势垒二极管。该二极管作为基础功能单元，可复刻生物运动感知核心功能：明暗通路分离、非对称时序滤波与乘法相关运算。硬件原型与大规模阵列仿真共同验证该系统可高精度识别简单光栅与复杂旋转运动。本研究突破仅模拟光感受器的现有思路，为复杂神经计算提供可落地硬件方案，面向微型自主机器人、高端视觉假体等多类场景，开辟下一代低功耗高智能人工视觉系统全新研发路径。

项目支持

本研究得到教育部中央高校基本科研业务费专项资金（项目编号 D5000240188）、江苏省自然科学基金（项目编号 BK20240484）、山东省自然科学基金（项目编号 ZR2025QC1603）资助。

图 1. 基于果蝇视觉系统的仿生运动检测电路：(A) 果蝇小眼阵列追踪旋转球体示意图；(B) 果蝇生物运动感知机理，光感受器感知光强变化，L1、L2 细胞完成明暗边缘分离，运动物体产生连续亮增（ON）、暗减（OFF）边沿；(C) 运动检测哈森斯坦 - 赖夏特等效功能电路，包含光感受器、明暗边沿检测器、非对称时序滤波器、乘法单元与求和模块；(D) 高性能 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管搭建明暗边沿分离器，模拟果蝇视觉处理功能，器件可完成模拟半波整流，分离交流信号正负相位，等效生物明暗信号通路。

图 2. β-Ga₂O₃ 肖特基二极管高频半波整流性能：(A) −3 ~ 10 V 区间器件电流 - 电压曲线，实线为热电子发射模型拟合，理想因子 1.08、整流比高于 10⁸，证实高质量肖特基接触；(B) 1 MHz 输入正弦脉冲波形；(C) 正向接线输出正半波整流波形；(D) 反向接线输出负半波整流波形；(E) 整流峰值电流随频率变化曲线，1 MHz 内工作稳定，10 MHz 仍保有整流能力；(F) 本器件最高整流频率与已有二维范德华异质结、铁电畴壁、有机整流器件等体系性能对标，凸显二维 β-Ga₂O₃ 二极管优异高频开关特性。

图 3. β-Ga₂O₃ 肖特基二极管微观结构与界面表征：(A) 低倍截面高角环形暗场透射电镜图；(B) Pd、Ga、O、Si 元素 EDS 面分布图谱，Si 信号来自硅 / 二氧化硅衬底；(C) [100] 取向二维 β-Ga₂O₃ 薄片与 Pd 顶电极界面原子分辨高分辨透射图，界面原子级陡峭无杂层；(D、E) β-Ga₂O₃ 薄膜实测与仿真高分辨图；(F、G) 高分辨图快速傅里叶变换与逆变换图谱，证明薄膜单晶属性与取向；(H) G 图红色虚线原子列强度线扫，得到与 β-Ga₂O₃ 匹配晶格间距；(I) [100] 取向二维 β-Ga₂O₃ 原子结构模型，镓分为 Ga_Ⅰ、Ga_Ⅱ两类格位，原子间距 0.58 nm。

图 4. 基于二维 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管阵列、模拟果蝇视觉的仿生运动检测系统：(A) 仿生运动检测平台整体示意图；(B) 移动光栅刺激信号与对应电脉冲；(C) 整流与时序滤波电路原理图；(D) 实测双极性输入脉冲序列；(E、F) ON、OFF 通路实时整流输出波形；(G–J) 用于左右运动识别的时空延迟相关信号；(K) 乘法相关运算输出；(L) 10 次循环后比较器输出，可准确识别光栅向右运动。

图 5. 基于 80 × 80 二维 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管仿生阵列检测旋转运动：(A) 果蝇圆周运动视觉示意图；(B) 二极管阵列解析旋转轨迹检测原理；(C) 动态同心圆环初始刺激图案，空间频率 10 周期 / 单位、正弦光强分布，模拟自然视觉输入；(D) ON 通路响应图，经正光强变化半波整流与时序滤波（时间常数 τ=0.3），暖色代表亮增响应更强；(E) OFF 通路响应图，经负光强整流与时序滤波（τ=0.7），冷色代表暗减响应更强；(F) 赖夏特相关器时空积分得到总运动能量分布图，红、蓝代表相反运动方向；(G) 由局部运动能量梯度计算光流场，箭头表征运动方向与速度，验证旋转光流；(H) 光流场旋度分布图，红蓝高旋区域精准定位旋转中心。

DOI:

doi.org/10.1002/rar2.70408