【供稿：电子科学与工程学院】日前，吉林大学电子科学与工程学院新型光电探测材料与器件团队在光电探测领域取得重要进展，该研究成果以“Day-Night imaging without Infrared Cutfilter removal based on metal-gradient perovskite single crystal photodetector”为题在线发表于《自然·通讯》（NatureCommunications15, 7516 (2024)）。

日夜成像技术可以在白天提供彩色可见光图像，并在夜间显示黑白红外图像，在诸如安防监控、机器视觉和自动驾驶等领域具有广泛应用价值。带有拜耳滤光片的传统硅图像传感器具有红外灵敏度，这会导致滤光片分色的失效，并导致图像偏色。主流解决方案是通过与红外滤光片切换器（ICR）相结合来实现的，但对ICR设备的重量和机械可靠性的担忧，限制了其在轻量级和高鲁棒性的系统，如无人机或车载摄像头中的应用。因此，实现高质量的无ICR日夜成像技术具有重要意义。为了应对这些挑战，对可见光和红外光具有光谱选择性响应的多光谱光电探测器脱颖而出。作为新兴的光电半导体材料，卤化物钙钛矿在各种应用中得到了广泛的探索，包括光电探测器、发光二极管和光伏电池。钙钛矿单晶因其高消光系数和可调直接带隙成为成像应用的候选者。然而，基于钙钛矿单晶光电探测器的无ICR日夜成像仍然具有挑战性，即需要制备一种窄带隙（≤1.2eV）的高质量钙钛矿单晶，然后在此基础上实现光谱响应的调控。尽管钙钛矿材料优异的溶液加工性能允许制备具有可调光谱响应的探测器，但目前仍缺乏关于具有梯度带隙的窄带隙钙钛矿单晶的研究。

图：本工作中光电探测器的工作机制及关键表征

针对无ICR日夜成像对探测器的需求，研究团队通过开发具有垂直金属梯度分布的钙钛矿单晶，设计和研究了可变响应光谱的光电探测器。通过结合材料特性和理论计算，我们证明了氧气暴露对成分梯度的影响，并阐明了锡铅钙钛矿和氧气之间相互作用的具体影响。基于载流子漂移距离随偏压的变化，锡铅钙钛矿光电探测器可以在从可见光到近红外波段范围（接近1100 nm），实现偏置电压调控的光谱响应变换。Pb-Sn合金化的梯度分布带来了高迁移率和内建电场，使钙钛矿光电探测器能够实现46.4 kHz的-3 dB截止频率和177 dB的线性动态范围。此外，富锡表面抑制了未配位降解中心的形成，使得探测器表现出了长达一年的运行稳定性。最后，钙钛矿光电探测器在红外光干扰下，展现出了与具有ICR的商用硅光电探测器相当的颜色还原能力。此外，钙钛矿光电探测器的高灰阶分辨率使其在日夜成像应用中具有广泛的应用潜力。金属合金钙钛矿光电探测器的发展，将为光电成像技术开辟一种有效的设计策略。

上述研究成果的第一完成单位为吉林大学。论文的共同第一作者为吉林大学博士生马尧、南昌大学硕士生单乐婷、香港理工大学应亦然博士以及吉林大学沈亮教授，通讯作者为南昌大学姚凯教授。本工作得到了国家自然科学基金的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51762-3#citeas