曾海波: 面向人眼仿生智能成像的高选择性窄带钙钛矿探测阵列

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近年来，智能仿生器件和系统已经进入了人们的工作和生活中，并正在扮演越来越重要的作用，如医护陪伴、机器人以及无人机等。其中，仿生探测成像主要是基于模拟人类视觉系统的智能电子感应器件。作为关键问题之一，如何有效并快速地识别与反馈目标的形状、颜色和距离等信息，成为了评价该类器件与系统的重要指标。这种智能识别系统中重要的组成元器件就是特种功能光电探测器，目前多为Si或InGaAs等宽光谱探测器作，它们虽然可以有效识别形状和距离，但对特征波段的识别必须依赖额外的二色棱镜或滤光薄膜，这就导致了加工过于复杂、系统过大、成本过高、频率分辨率不高、智能性不高等缺点。因此，如何实现广谱范围对特定波段有高分辨响应的窄带探测器，便成为了领域当前的主要目标之一。

最近，基于铅基卤化物的钙钛矿材料展现出与传统硅基无机半导体材料相媲美的光电性能。优异的载流子迁移率、缺陷耐受性以及光子捕获能力，使得该材料在高性能太阳能电池、发光二极管和激光等光电器件领域内具有非比寻常的应用前景。同时，该材料在高灵敏的探测器中也极具竞争力。目前，以该材料为光学活性层的宽光谱探测器，已取得不俗的性能，是用于该类人眼仿生智能成像的非常好的候选半导体材料。

近日，南京理工大学新型显示材料与器件工信部重点实验室徐晓宝教授、宋继中教授、曾海波教授等报道了在整个可见光氛围内峰值可调半高宽20纳米以下的窄带探测器，并演示了其人眼仿生智能探测与成像功能。首先，这项研究发展了一种冷冻干燥制膜工艺，制备出数十微米厚且厚度可控的CsPbBr3全无机钙钛矿半导体光电功能薄膜。然后，通过对表面电荷传输与复合的可控调节，获得了具备窄带探测功能的高性能探测器。该探测器实现了绿光波谱段内半高宽~12 nm的光电响应，这是当前响应谱最窄的探测器，意味着对频率的选择性最高。此外，探测率达到了1011琼斯，表明响应波段或频率的选择性并没有影响探测灵敏度。通过对CsPbBr3中的阴离子进行调节，可将此类高选择性窄带探测器拓展到从蓝光到红光的全可见光谱。为了探索这种高选择性窄带探测器模仿人眼视觉识别系统的可行性，设计并制备了基于该类探测器的成像阵列，并初步演示了类似于人眼的颜色和形状识别功能。

这项研究表明，相对于目前常用的基于单晶块体半导体的窄带探测器，钙钛矿薄膜窄带探测器制造工艺更加方便，可实现探测波长和频率更高的分辨率，因此在未来智能探测成像领域具有较好的应用潜力，该类图像阵列优异的形状和颜色识别能力为人眼视觉模拟识别系统提供了一种新的可能。

相关成果以题为“Narrowband Perovskite Photodetector-Based Image Array for Potential Application in Artificial Vision”的通讯论文形式发表于Nano Lett.第一作者为博士生薛洁。

综上所述，作者使用冷冻干燥制备CsPbX3钙钛矿薄膜技术，通过CsPbX3的卤素成分调控，制备出了可见光波谱范围内的一系列窄带探测器，实现所有波段的响应的半高宽小于50 nm。以此制备无滤波片的图像阵列，实现了人眼视觉系统的颜色、形状识别成像。良好的性能以及灵活的制造工艺，为在无滤波的图像传感提供了一种可能。

文献链接：Narrowband Perovskite Photodetector-Based Image Array for Potential Application in Artificial Vision (Nano Lett.,2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03209)