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01导读
北京理工大学光电学院郝群教授、唐鑫教授研究团队设计了一种垂直堆叠的具有优化带隙梯度的可见光硫化铅（PbS）、短波红外及中波红外碲化汞（HgTe）胶体量子点光电探测器架构，实现了从可见光到中波红外（0.4-5 μm）的超宽光谱响应，具有优异的灵敏度和探测性能。成功地制备了640×512像素规模的超宽光谱焦平面阵列成像芯片，实现了低至6%的响应非均匀性（PRNU）和低至34 mK的噪声等效温差（NETD）。超宽光谱PbS/HgTe胶体量子点成像仪证明了红、绿、蓝、短波红外、中波红外多光谱成像和入射光强自适应的宽光谱成像。
相关成果以“Visible to mid-wave infrared PbS/HgTe colloidal quantum dot imagers”为题，于2024年8月5日发表于《Nature Photonics》期刊上。
02研究背景
多光谱成像技术，涵盖可见光、近红外、短波红外和中波红外波段，已成为环境监测、天文学、农业科学、生物成像、医学诊断及食品质量控制等众多领域的关键工具。通常实现多光谱成像依赖于一系列单波段成像设备。尽管这些设备在性能上表现出色，但它们需要复杂的图像配准技术以及精细的光学设计来解决成像设备间的光轴和分辨率差异，这不仅增加了系统的体积、成本，也提高了操作的复杂性。如果能通过单一成像器捕获丰富的信息，例如利用可见光进行颜色识别、通过短波红外分析纹理组成，以及通过中波红外进行热成像检测，将为多光谱成像提供一个更为简洁高效的解决方案。
03研究创新点
超宽光谱成像仪具有640×512像素规模，每个像素由具有优化带隙梯度的可见光PbS、短波红外、中波红外HgTe胶体量子点堆叠而成（图1a-b）。合成了多种粒径和带隙的PbS和HgTe量子点（图1c-d）。通过有限元分析对其能带结构进行了仿真（图1e）。垂直堆叠的具有优化带隙梯度的PbS/HgTe胶体量子点探测器实现了从可见光到中波红外超宽的光谱响应（图1f）。
图1超宽光谱成像仪的a. 结构示意图、b. 实物照片（上图）和扫描电子显微镜截面图（下图）。PbS和HgTe量子点的c. Tauc图、d. 带隙和吸收截止波长与量子点粒径的关系曲线。e. 探测器能带结构仿真图。f. 探测器响应光谱曲线。
像素规模为640×512、像素间距为15μm的超宽光谱成像仪表现出了较低的暗电流和优异的比探测率（图2a-c），具有低至6%的PRNU（图2d），和低至34 mK的NETD（图2e-f）。超宽光谱成像仪展现出了高质量的可见、短波红外及中波热成像（图2g-i）。 超宽光谱成像仪具有多光谱成像模式和宽光谱成像模式（图3a）。使用不同的滤光片，无需复杂的后处理算法和光学排列，通过超宽光谱成像仪即可获得了高质量的多光谱成像（图3b）。此外，超宽光谱成像仪也展现了高质量的入射光强自适应的宽光谱成像（图3c）。
图2超宽光谱成像仪的每个像素的a. 暗电流、b. 响应、c. 比探测率的分布直方图和映射图。d. 过热像元和死像元分布图。e. NETD与积分时间关系曲线。f. 每个像素的NETD分布直方图。g和h. 使用中波红外滤光片的超宽光谱成像仪的热成像图。i. 超宽光谱成像仪和可见光/短波红外成像仪的成像结果比较。
超宽光谱成像仪从80K到140K宽的工作温度下均可工作（图3d）。当一个人在室外阳光下用超宽光谱成像仪成像，能清楚地展现出人的头发、太阳镜、衣服的质地、塑料纽扣、衣服上的汗渍、周围树木和栏杆的环境，具有从可见光到中波红外超宽的光谱信息（图3e）。
图3超宽光谱成像仪的多光谱和宽光谱成像。a. 超宽光谱成像仪的成像示意图。b.多光谱成像模式。c-e. 宽光谱成像模式。
04总结与展望
综上，北京理工大学研究团队开发了一种PbS/HgTe量子点堆叠的器件架构，优化了梯度带隙能带结构，成功实现了从可见光到中波红外的超宽光谱响应，比探测率相较于单波段中波红外探测器高出一个数量级。超宽光谱探测器已成功地扩展到焦平面阵列规模，实现了像素规模为640 × 512，像素间距为15μm，PRNU低至6%，NETD低至34 mK的优异性能。超宽光谱成像仪展现了高质量的多光谱成像和包含从可见光到中波红外宽光谱信息的宽光谱成像。该成果突破了原有块体半导体及量子点材料体系下探测波段受限的瓶颈难题，通过跨材料带隙叠层耦合芯片架构，实现了高分辨量子点成像芯片制备，为光谱探测及宽光谱成像提供了核心元器件支撑。
该论文的第一作者为北京理工大学助理教授牟鸽、博士生谭伊枚、毕成，通讯作者为郝群教授和唐鑫教授。该工作得到了重点研发计划、国自然等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01492-1
DOI：10.1038/s41566-024-01492-1
