东南大学在片上集成光谱成像领域取得新进展

近日，东南大学多维探测与智能识别团队开发出一种垂直带隙级联钙钛矿单晶薄膜异质结，通过在单片器件中集成波长依赖吸收深度与阶梯式能带排列，实现了偏压极性可切换、深度选择性的载流子收集，兼顾快速光响应、宽波段探测与高精度光谱重构，为紧凑型片上光谱成像提供了新的器件方案。相关成果以“A Vertically Bandgap-Cascaded Perovskite Single-Crystal Film Heterojunction for On-Chip Spectral Imaging”为标题，发表在《Advanced Materials》上。

光谱成像能够同时获取目标的空间信息与光谱信息，在精密检测、环境监测、生物医学分析和智能视觉等领域具有重要应用价值。然而，传统光谱成像系统通常依赖光栅、滤光片、干涉元件或机械扫描模块，系统体积与结构复杂度较高，并常在成像速度、光通量、光谱分辨率和空间分辨率之间面临权衡。计算光谱成像通过硬件编码与算法重构降低了对复杂光学器件的依赖，但现有滤光型结构容易造成光子损失或牺牲空间分辨率，部分电调谐器件的调制速度也难以满足实时成像需求。因此，如何在单像素、垂直集成的紧凑结构中获得快速、低相关且可编程的光谱响应，是实现高性能片上高光谱成像的关键。

针对这一难题，团队采用连续溶液外延方法，构建了MAPbCl3/MAPbBr3/MAPbI3垂直堆叠的单晶薄膜异质结。三种材料的带隙由下至上逐级减小，使不同波长的光在器件不同深度被选择性吸收；阶梯式Ⅰ型能带及内建电场进一步赋予光生载流子不同的输运方向和提取势垒。通过改变偏压大小并切换正、负极性，器件可生成多组低相关的电学可编程光谱响应编码，显著提升光谱反演的稳定性和准确性。器件最高外量子效率约82%，最短上升时间为8 μs，工作波段覆盖约400~820 nm，峰值波长识别误差约1.4 nm，光谱分辨率达到约2.7 nm。团队进一步将器件集成于薄膜晶体管基板，实现64×64像素高光谱成像以及准确的光谱和颜色重构，展现出面向便携式传感、机器视觉和生物医学分析等场景的应用潜力。

东南大学电子科学与工程学院徐晓宝教授、雷威教授为本文的共同通讯作者，东南大学电子科学与工程学院博士生刘世林为本文的第一作者。该研究受到国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省国际科技合作项目、中央高校基本科研业务费专项资金及航空科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74281