香港科技大学范智勇Device：一种用于恶劣条件下超可见光谱成像的四色传感器 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

四色光传感器可以同时获取四个光学频谱波段，并在可见光的基础上进一步扩展光谱范围。但目前的四色传感器无法在极端温度下稳定工作。在该研究工作中，来自香港科技大学的范智勇教授课题组报道了一个全集成的串联四色钙钛矿成像系统。该器件中的四层全无机钙钛矿材料可作为紫外、蓝光、绿光和红光探测器。该串联图像传感器由四个32×32颜色选择像素阵列组成，并且可在大气压和真空环境下稳定工作。器件制造工艺和结构可扩展，并具有在恶劣环境条件下实现四色成像的潜力。2024年4月25日，该研究成果以“A Tetrachromatic Sensor for Imaging Beyond the Visible Spectrum in Harsh Conditions”为题，发表在Cell Press细胞出版社期刊Device上。

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研究简介

生物界提供了多样的色觉能力，一些鸟类可利用其色觉能力开展导航、捕食、寻找配偶等活动。而人们基于色觉能力发展出来的光电传感器，在环境监测和工业制造等领域获得广泛地应用。光电材料通常由无机半导体构成，但设备制造过程复杂且成本较高。而一些开展金属氧化物、有机材料和二维材料的替代研究时，其焦点通常集中在单一有源层宽带的图像传感器上，缺乏准确区分不同颜色信号和四通道下重建图像的能力。而钙钛矿的光电探测器具有高响应性、高探测率、快速响应时间、宽动态范围可调带隙和低制造成本等特点，可作为图像传感器最有成效的代替品。尤其是无机卤化物钙钛矿更具优势，因其制备方法成本低、效率高、热稳定性好。在本文研究中，范智勇教授展示了一个全集成紫外和红绿蓝光谱（UV+RGB）全无机钙钛矿图像传感器系统，该四色图像传感器在恶劣环境下工作良好，在150K至500K的1000多次热循环后仍保持95%以上的响应率，并可在低至16k时保持设备的良好功能。

整体四色钙钛矿成像传感器设计灵感源于鸟类视觉。

要点一：钙钛矿薄膜的选择与厚度优化

通过卤化物离子混合调制钙钛矿的可调带隙，形成了四种钙钛矿活性层：CsPbCl₃、CsPbClBr₂、CsPbBr3、CsPbBrI₂。其中CsPbCl₃层用作宽带紫外图像传感器，而其他层由于堆栈结构中的彩色滤光效应而用作单色图像传感器。如Fig. 1a所示，石英层将器件分成两部分，一部分是紫外和蓝色传感器，另一部分是绿色和红色传感器。作者模拟了各层的光学特性，推断了光强和光吸收的分布，为器件设计提供依据(Fig. 1b)。研究中确定了CsPbCl₃、CsPbClBr₂、CsPbBr₃和CsPbBrI₂薄膜的最佳厚度分别为200 nm、300 nm、320 nm和350 nm，并绘制了特定薄膜厚度下的光子吸收模拟曲线(Fig. 1c)。

Fig. 1：整体四色钙钛矿图像传感器设计。

要点二：四色传感器的工作原理和基本特性

文中，作者利用紫外光电子能谱(UPS)和光学带隙测量法分别测定了NiO空穴传输层(HTL)和SnO₂电子传输层(ETL)的价带能和导带能(E_v和E_c)。并且，为了区分四种光谱颜色，作者在研究中使用了两种p-i-n-i-p结构(Fig. 2a)：一种用于检测紫外光和蓝光，另一种用于检测绿光和红光。当四色器件处于正向偏置时，对紫外光和绿光有响应；而当器件在反向偏置时，对蓝光和红光有响应。随后，采用对应于UV+RGB的4种单色波长激光器，分别在特定波长对四色图像传感器的光电特性进行研究。如Fig. 2b所示，四个传感器的响应度(R)是光强范围为~0.2μW/cm²至~6 mW/cm²的函数。CsPbCl₃层对波长小于410 nm有光响应，而CsPbClBr₂层、CsPbBr₃层、CsPbBrI₂层分别对波长在410-490 nm、490-520 nm和520-650 nm有响应。接着，作者绘制电流密度—电压（J-V）曲线图Fig. 2c，选择0.8 V和-1.0 V作为工作偏置，以获得稳定的光响应电流以及最小化来自其他光活性层的噪声。

Fig. 2：器件的光电响应特性。

然后，为了进一步了解四个波长范围的颜色选择性，作者进行了辨色测试（Fig. 3a-d）。结果表明，虽然非工作层产生的电流与主电流相反，但这种干扰的电流密度足够低，可以忽略不计。

Fig. 3：混合光源的光电流响应。

要点三：恶劣环境条件下的性能测试

文中所设计的四色图像传感器为全无机成分，作者利用XRD研究了四种钙钛矿在170K至570 K温度范围内的相变和晶格畸变（Fig. 4a-d）。且在140 K至500 K范围内，测量了传感器的光致发光性能（Fig. 4e-h）。此外，在不同温度和压力下对材料的光响应能力进行表征，证实了该器件在热冲击和热循环等恶劣条件下具备稳定成像的能力。

Fig. 4：温度相关XRD和PL表征。

要点四：四色辨色及成像演示

为了测试设备的色彩识别并消除色差的能力，作者使用405 nm、450 nm、520 nm和635 nm的单波长激光器作为光源进行实验探究。如Fig. 5a所示，3D四面体和三元图像中的每对黑白散点都非常接近，说明重建的光组合与原始光源高度相近。作者在Fig. 5b中评估了实际值与检测值之间的差异，显示R层在总体偏差中起着重要作用，推测各层偏差是由R层、G层、B层到UV层依次递减。

Fig.5：四色图像传感器系统的混合光分辨能力。

最后，为了演示四色图像传感器的成像能力，作者开发了一种4x32x32像素传感器阵列的一体化四色图像传感器系统（Fig. 6a-c），该传感器阵列集成了读出电路、片上温度和压力传感器，在不同环境下显示出良好的成像能力（Fig. 6d-h）。

Fig. 6：极端环境下的图像检测演示。

总结与展望

本文中作者开发了一种4x32x32像素配置的一体化四色图像传感器系统，并证明该四色传感器可以在恶劣环境下再现高精度图像, 该研究的进步为制造高分辨率像素阵列提供了可能。然而，由于串扰和像素尺寸仍然是器件小型化和提高分辨率的主要障碍，作者正在研究优化方法来应对这些挑战。值得一提的是，该器件能够在极端温度和真空条件下保持其稳定性和耐用性，具有宽光谱响应和高灵敏度，能够检测和分析各种电磁辐射波长，因此未来可进一步应用于空间探索、自动驾驶汽车、人工视网膜和工业系统监控等领域。

相关论文信息

研究成果发表在Cell Press旗下Device期刊上，点击“阅读全文”或扫描下方二维码查看论文。

▌论文标题：

A Tetrachromatic Sensor for Imaging Beyond the Visible Spectrum in Harsh Conditions

▌论文网址：

https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00164-9

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100357

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