麥姆斯咨詢獲悉，近日，東南大學多維探測與智能識別團隊開發出一種垂直帶隙級聯鈣鈦礦單晶薄膜異質結，通過在單片器件中集成波長依賴吸收深度與階梯式能帶排列，實現了偏壓極性可切換、深度選擇性的載流子收集，兼顧快速光響應、寬波段探測與高精度光譜重構，為緊湊型片上光譜成像提供了新的器件方案。相關成果以《用于片上光譜成像的垂直帶隙級聯鈣鈦礦單晶薄膜異質結》（“A Vertically Bandgap-Cascaded Perovskite Single-Crystal Film Heterojunction for On-Chip Spectral Imaging”）為題發表在Advanced Materials上。
圖1 垂直帶隙級聯鈣鈦礦單晶異質結的光譜探測與成像性能：（a, b）器件結構與光譜重構原理；（c, d）光譜響應及重構結果；（e-j）TFT集成高光譜成像演示。
光譜成像能夠同時獲取目標的空間信息與光譜信息，在精密檢測、環境監測、生物醫學分析和智能視覺等領域具有重要應用價值。然而，傳統光譜成像系統通常依賴光柵、濾光片、干涉元件或機械掃描模塊，系統體積與結構復雜度較高，并常在成像速度、光通量、光譜分辨率和空間分辨率之間面臨權衡。計算光譜成像通過硬件編碼與算法重構降低了對復雜光學器件的依賴，但現有濾光型結構容易造成光子損失或犧牲空間分辨率，部分電調諧器件的調制速度也難以滿足實時成像需求。因此，如何在單像素、垂直集成的緊湊結構中獲得快速、低相關且可編程的光譜響應，是實現高性能片上高光譜成像的關鍵。
針對這一難題，團隊采用連續溶液外延方法，構建了MAPbCl3 / MAPbBr3 / MAPbI3垂直堆疊的單晶薄膜異質結。三種材料的帶隙由下至上逐級減小，使不同波長的光在器件不同深度被選擇性吸收；階梯式Ⅰ型能帶及內建電場進一步賦予光生載流子不同的輸運方向和提取勢壘。通過改變偏壓大小并切換正、負極性，器件可生成多組低相關的電學可編程光譜響應編碼，顯著提升光譜反演的穩定性和準確性。器件最高外量子效率約82%，最短上升時間為8 μs，工作波段覆蓋約400-820 nm，峰值波長識別誤差約1.4 nm，光譜分辨率達到約2.7 nm。團隊進一步將器件集成于薄膜晶體管基板，實現64×64像素高光譜成像以及準確的光譜和顏色重構，展現出面向便攜式傳感、機器視覺和生物醫學分析等場景的應用潛力。
東南大學電子科學與工程學院徐曉寶教授、雷威教授為本文的共同通訊作者，東南大學電子科學與工程學院博士生劉世林為本文的第一作者。該研究受到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、江蘇省國際科技合作項目、中央高?；究蒲袠I務費專項資金及航空科學基金等項目的資助。
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https://doi.org/10.1002/adma.74281
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