研究人员报道一种基于光谱投影的颜色感知器件

光信号是宇宙空间中最重要的信息载体之一,人们对能探测光信号的器件(即光探测器)的研究由来已久。光探测器的应用涉及到工业生产及日常生活的方方面面。随着后摩尔时代的来临,万物互联的趋势对光探测器件提出了更高的性能及功能上的要求。然而,受限于其工作原理,现有的光探测器仅仅只能探测光信号的光强(光功率密度),而不能获得光信号的颜色或光谱信息。

针对上述问题,微电子学院研究员丁士进课题组以带隙递变的钙钛矿薄膜作为光敏导电通道,开发出了一种能直接探测光信号的光谱/颜色信息的新型元器件。日前,相关工作以“Spectrum projection with a bandgap-gradient perovskite cell for color perception”为题在线发表于Light: Science & Applications。本文通讯作者为微电子学院研究员丁士进、副研究员吴小晗,第一作者为硕士生张美娜。合作者包括复旦大学材料科学系教授梅永丰,微电子学院青年研究员刘安(Antoine Riaud)以及信息科学与工程学院青年研究员解凤贤。

这种颜色感知器件包括两个输出电流信号,其中一个电流信号仅与光通量有关,而另一个基于带隙递变半导体的输出电流与光信号的平均光子能量及光通量均成线性关系。结合这两个输出信号,器件可探测任意光信号的平均光子能量,从而实现颜色感知(图1)。基于带隙递变钙钛矿薄膜的器件所探测的光谱平均波长与商用光谱仪所测量的结果相一致(图2)。该器件实现了对光信号的强度与颜色变化的实时在线探测,且可以在柔性基底上进行加工,并表现出良好的机械柔性。此外,本文还展示了器件在化学/生物传感器中的应用(图3)。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41377-020-00400-w

图1. 柔性带隙递变钙钛矿器件的荧光照片及其对光谱/颜色进行感知的示意图

图1. 柔性带隙递变钙钛矿器件的荧光照片及其对光谱/颜色进行感知的示意图

图2. 带隙递变钙钛矿器件与商用光谱仪对光谱/颜色的探测/测量结果相一致

图2. 带隙递变钙钛矿器件与商用光谱仪对光谱/颜色的探测/测量结果相一致

图3. 基于带隙递变钙钛矿器件的化学/生物传感器结构示意图,及其对溶液pH值的探测功能展示

图3. 基于带隙递变钙钛矿器件的化学/生物传感器结构示意图,及其对溶液pH值的探测功能展示

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