垂直堆疊的光譜互補光敏層是實現單片式多光譜探測的主流技術路線。這類器件的核心挑戰在于光譜隔離與載流子輸運的平衡。傳統設計必須在兩層光敏材料之間插入緩沖層或電荷傳輸層，一方面引導光生載流子的輸運路徑、抑制帶間串擾，另一方面阻隔反向泄漏電流。然而，中間層的引入不僅增加了工藝復雜度、限制了結構靈活性，更會在界面引入大量缺陷態，成為噪聲源與載流子復合中心，嚴重削弱微弱光信號的探測精度。盡管已有研究嘗試用單層光敏材料規避中間層，但這類方案強烈依賴薄膜厚度調控，始終面臨光譜選擇性與量子效率的固有權衡。
據麥姆斯咨詢報道，針對上述難題，韓國高麗大學（Korea University）和韓國科學技術研究院（KIST）的研究團隊提出一種無需中間傳輸層的單片式有機/PbS量子點雙模式光電探測器。研究團隊通過誘導有機給體-受體體系形成垂直-橫向相分離（VLPS）形貌，在簡化器件結構的同時，實現了可見光與短波紅外（SWIR）雙波段的偏壓可控選擇探測，大幅抑制了暗電流與噪聲，顯著提升了弱光下的探測靈敏度與光譜隔離度。基于該器件的單像素成像系統在低光照條件下仍可重構高保真RGB與短波紅外圖像，并成功驗證了硅片正反面對準的工業應用場景，為多光譜探測器的小型化、低噪聲、高集成化發展提供了全新的材料設計范式。研究成果以“Self-filtering monolithic organic/PbS quantum dot photodetector for visible and short-wave infrared selective vision in low-light”為題發表在Nature Communications期刊上。
研究團隊以經典有機光伏體系PTB7-Th:PC71BM為調控對象，通過溶劑工程與旋涂工藝調控，制備了兩種典型形貌的薄膜：均勻混合（WM）結構與垂直-橫向相分離（VLPS）結構。在此基礎上構建了glass/ITO/ZnO/有機層/PbS-PbX?/ZnO/Al的完整雙模式器件，其中PbS量子點平均直徑5.5 nm，經液相配體交換處理，負責短波紅外波段的光吸收。圖1展示了可見光至短波紅外雙模光電探測器結構及表征。VLPS薄膜呈現出顯著的垂直分層：靠近底部ITO/ZnO側PC71BM富集，靠近頂部量子點側PTB7-Th富集。這種分層形貌直接決定了器件的雙模式工作機制：（1）正向偏壓（可見光模式）：有機層作為光敏單元，可見光激發產生的電子沿PC71BM富集的垂直通道向ITO電極輸運，空穴向頂部鋁電極遷移；（2）反向偏壓（短波紅外模式）：PbS量子點層作為光敏單元，短波紅外激發的載流子被有效收集。
圖1 可見光至短波紅外雙模光電探測器
器件光電性能
研究團隊對該可見光至短波紅外雙模光電探測器進行了詳細的測試，相關光譜選擇性光電響應如圖2所示，不同光功率下的光電探測特性如圖3所示。外量子效率（EQE）測試直觀展現了兩種形貌的光譜選擇性能差異。在+1 V正向偏壓的可見光模式下，兩者峰值EQE相當，635 nm處均約為43%，但光譜形狀存在明顯區別：VLPS器件因底部PC71BM富集，短波長處EQE更高；隨偏壓增大、電荷收集深度延伸，長波響應提升更顯著。兩種器件在可見光模式下均無短波紅外信號泄漏，證明有機層對量子點光生電子的電濾波作用完全有效。
圖2 光譜選擇性光電響應
低噪聲是弱光高精度探測的核心前提，也是無中間層設計最突出的優勢。暗電流測試顯示，VLPS器件在兩個工作模式下均實現了暗電流的大幅抑制。研究團隊特意對比了引入MoO?中間層的參照器件，發現額外中間層會在閃爍噪聲頻段引入顯著的噪聲升高，直接證明中間層帶來的界面缺陷確實是重要的噪聲源。這一結果也反向印證了“用形貌調控替代功能中間層”策略的價值——去掉中間層不僅沒有犧牲性能，反而從根源上消除了一類重要的噪聲來源。
圖3 不同光功率下的光電探測特性
弱光高保真成像與硅片高精度對準
為驗證器件的實際應用價值，研究團隊搭建了單像素成像系統，直接將器件的低噪聲、高探測率優勢轉化為空間成像能力，相關成像結果如圖4所示。可見光RGB成像測試中，高照度條件下兩種器件均可還原場景輪廓，但VLPS器件對比度更高、邊緣更銳利、背景更均勻；當照度降至原有的10%時，WM器件出現明顯的行波動與色帶條紋，精細紋理丟失、色彩平衡紊亂，而VLPS器件仍能清晰保留物體邊界與整體色彩層次。短波紅外成像測試呈現了同樣的規律。
圖4 可見光至短波紅外單像素成像
除成像應用外，研究團隊還驗證了半導體制造場景的硅片對準功能。利用該雙模式探測器，僅通過切換偏壓極性即可分別采集正面可見光反射標記與背面短波紅外透射標記，無需機械調整光路，相關結果如圖5所示。
圖5 利用光譜選擇性單片式有機/PbS光電探測器實現硅片對準
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-026-74407-z
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