『能源光电子』LPR 教育部长江学者南京理工大学隋修宝教授/海外优青李宁教授:从宽带到精准:单器件实现可见—近红外双窄带高增益探测

      光电探测器作为将光学信号转换为电信号的核心组件，是光电探测、信息传感和信号传输中的基本要素。它们在生物医学、环境监测和食品安全等重要技术领域发挥着关键作用。与固定光谱范围的探测技术相比，可调谐多波段光电探测技术在复杂环境下表现出更强的目标探测和识别能力。因此，随着信息复杂性的增加和对传感精度要求的提高，可调谐多波段光电探测技术近年来引起了广泛的研究兴趣。

      可见光/近红外双波段光电探测器在安全监控、智能手机和机器视觉等领域具有广泛的应用前景，为场景识别和生物识别认证等功能提供了必要的传感能力。目前，实现多波段探测的一种主要方法是采用背靠背垂直集成结构，通过调节偏压来选择性地激活具有不同光谱响应范围的本体异质结层。然而，这些具有背靠背结构的双波段探测器通常运行在光伏（PV）模式下，这往往限制了它们的响应度。此外，由于两个本体异质结层都表现出宽光谱吸收，它们在复杂的照明环境中容易受到背景噪声和杂散光的影响，导致信噪比（SNR）降低。因此，此类器件的双波段响应挑战在于满足各种应用场景中精确探测和识别的需求。此外，可见光和近红外本体异质结吸收带之间的显著重叠导致了不可避免的光学串扰，经常引起信号混淆和误判。这种不良串扰严重损害了探测器在高精度传感和成像应用中的可靠性。为了减轻串扰，通常需要外部光学滤光片来实现窄带响应。然而，结合外部滤光片的传统解决方案引入了额外的光学界面损耗，并显著增加了器件封装的复杂性和成本，使其与当前光电系统集成化和微型化的趋势不相符。

长江学者南京理工大学隋修宝教授/海外优青李宁教授团队研究提出了一种创新架构，将光学微腔与背靠背双本体异质结有机光倍增探测器相结合，实现了偏压可调的双窄带高灵敏度探测。与以往的工作相比，本研究的核心突破在于在单一器件内协同实现了光倍增效应、偏压可切换双波段响应以及由光学微腔实现的窄带滤波。具体而言，通过集成两个分别对可见光和近红外光响应的光倍增本体异质结，并利用光学微腔引起波长选择特性。这种设计不仅实现了偏压极性可切换的双波段操作，而且在每个波段都实现了窄带光谱响应，并具有显著的光倍增增益。这克服了基于双本体异质结的传统宽带双波段探测器的局限性，如严重的串扰和灵敏度不足，以及现有依赖外部滤光片且缺乏光倍增能力的窄带方案的缺点。实验结果表明，该器件在可见光模式（响应峰值在 450 纳米）和近红外模式（响应峰值在 810 纳米）下均表现出典型的窄带响应特性，半峰全宽值分别仅为 50 nm和 75 nm。此外，在两个波长下分别实现了高达 1050%（450 nm，-15 V 偏压）和 130%（810 nm，20 V 偏压）的峰值外量子效率。高灵敏度、窄带响应和波段可调性的结合使该器件能够有效地抑制复杂背景光环境中非目标波长的信号，从而实现对特定光学信号的精确识别和高信噪比探测。这展示了其在集成、高性能光电传感系统中的应用潜力。

研究亮点一：协同架构实现单器件双窄带高灵敏探测     提出“光学微腔 + 背靠背双本体异质结”协同设计，在单一器件内同时实现光倍增增益、偏压可切换双波段响应与窄带光谱选择性过滤，突破传统双波段探测器宽谱吸收与灵敏度受限的瓶颈，构建兼具高选择性与高增益的集成化探测新范式。

研究亮点二：有效抑制串扰并实现高性能光谱调控    利用法布里–珀罗微腔共振工程精准匹配吸收峰，实现450 nm与810 nm双窄带响应，半峰宽分别压缩至50 nm与75 nm，显著削弱波段重叠与背景噪声干扰；峰值外量子效率分别达1050%与130%，无需外部滤光片即可获得高信噪比探测能力。

研究亮点三：高抗干扰光通信验证应用潜力    构建多波长同步传输实验系统，在复杂背景光环境中实现可见光与近红外信号独立识别与准确解码，显著优于宽带硅探测器；器件兼具高探测率、宽动态范围与良好线性响应，展示出在集成光通信、智能传感与复杂场景识别中的重要应用前景。

2.1 | 双窄带有机光电探测器的设计理念

      如图 1a 所示，在传统的可见光/近红外双波段光电探测器中，宽带可见光本体异质结通常放置在靠近光入射的一侧，而近红外本体异质结放置在远离光源的一侧。在反向偏压下，可见光本体异质结被激活，而近红外本体异质结工作在正向偏压下，从而分别实现了可见光和近红外探测的两种不同工作模式。然而，前置可见光本体异质结通常表现出有限的短波长光吸收，允许一部分可见光传输到近红外层，这会导致不必要的光学串扰和干扰。本研究提出了一种通过将光学微腔与双本体异质结集成来实现双窄带探测的新策略，其中微腔的选择性过滤机制被纳入器件设计中。如图 1b 所示，微腔通过法布里-珀罗（F-P）共振效应产生窄传输峰。当入射宽带光穿过微腔时，只有特定波长的光子被有效传输，而其余光谱分量被反射和抑制。

图 1 | 使用光学微腔实现双窄带光谱响应的原理示意图。(a) 传统可见光/近红外双波段光电探测器的光谱响应和工作模式。(b) 光学微腔的示意结构及其相应的传输光谱。(c) 与光学微腔耦合后双波段光电探测器的光谱响应。

      本研究提出的协同“光学微腔 + 双本体异质结”架构的核心在于光学微腔参数的优化调节。微腔的传输光谱可以精确匹配双本体异质结的吸收峰，从而使目标波长的光子传输率高于其他波长的光子。传输光谱可以通过层厚度控制或双谐振器设计进行工程化。具体而言，中间层厚度的逐渐增加会使第二个传输峰红移，从而使其与本体异质结的吸收曲线对齐并收窄光谱响应。如图 1c 所示，在与光学微腔耦合后，消除了宽带双波段探测器固有的波段间串扰，并且半峰全宽显著降低。这成功解决了双波段探测器干扰容限低的问题，并扩展了它们在复杂光通信、智能传感系统等领域的潜在应用。

2.2 | 双波段光倍增光电探测器的设计与特性

     基于对本体异质结材料中给体-受体比例和多本体异质结集成的系统研究，本工作开发了一种可见光/近红外双波段光倍增光电探测器。可见光和近红外本体异质结分别采用 P3HT:PC71BM (100:1) 和 PBDB-T:IEICO-4F (100:3) 作为其给体-受体体系。所有活性层材料的分子结构和吸收光谱如附图 S1 所示。如附图 S1 所示，P3HT:PC71BM 仅在可见光区域表现出吸收，使其适用于可见光本体异质结。相比之下，PBDB-T:IEICO-4F 在可见光和近红外范围内均表现出强大的吸收能力。如图 2a 所示，双波段探测器具有两个以背靠背配置堆叠的本体异质结，结构为 ITO/PBDB-T:IEICO-4F (300 nm)/PEDOT:PSS (100 nm)/P3HT:PC71BM (500 nm)/Ag (25 nm)。相应的能级图如附图 S2 所示。当光学信号从顶部电极进入时，它们必须首先穿过 P3HT:PC71BM 层，该层吸收了大部分可见光子。这种过滤效应显著减少了传输信号中的可见光成分，从而将 PBDB-T:IEICO-4F 本体异质结的响应主要限制在近红外区域。因此，该本体异质结被专门用于近红外探测。

      当对底部 ITO 电极施加反向偏压时，器件工作在可见光模式。如图 2b 所示，可见光本体异质结在可见光照射下产生光生电荷。在这种情况下，可见光本体异质结内的光生电子被由 PC71BM 形成的孤立陷阱捕获，这归因于本体异质结中极低的 PC71BM 比例。这些捕获的电子在可见光本体异质结和 Ag 电极之间的界面处诱导能带弯曲效应，显著降低了空穴从 Ag 电极注入可见光本体异质结的能垒。降低的能垒促进了大量空穴的隧道注入，从而增强了整体光电流响应。注入的空穴随后穿过中间 PEDOT:PSS 层，并与从近红外本体异质结侧 ITO 注入的电子复合。在此过程中，近红外本体异质结起到辅助电荷传输的低电阻通道作用。

     当施加正向偏压时，器件工作在近红外模式。电荷传输过程如图 2c 所示。在此条件下，可见光本体异质结对光电流的贡献极小，而近红外本体异质结中的光生电荷成为光电流的主要来源。在近红外照射下，近红外本体异质结中的光生电子被由少量 IEICO-4F 形成的局域态捕获。这些捕获的电子在 ITO/近红外本体异质结界面处诱导能带弯曲，显著降低了空穴注入能垒。这促进了大规模的空穴注入，增强了整体光电流，并最终实现了光倍增效应。在这种工作模式下，可见光本体异质结作为低电阻通道协助电荷传输。

     图 2d,e 分别展示了探测器在可见光模式下运行的外量子效率（EQE）和电流-电压（I-V）特性。随着偏压的增加，器件的 EQE 相应升高。在 -20 V 偏压下，峰值 EQE 达到近 6000%，远超 100% 的理论极限。这种显著的光倍增现象明确证实了可见光模式下内部载流子增益机制的存在。如图 2e 所示，光电流随入射光强度的增加而增大。在 450 纳米光照（0.09 W/cm²）和 -15 V 偏压下，光电流比暗电流大两个数量级以上。图 2f,g 展示了探测器在近红外模式下的 EQE 和 I-V 特性。虽然器件主要在近红外波段运行，但在 400-500 纳米范围内仍存在残余光响应，表明两种工作模式之间存在光学串扰。这源于材料特性以及可见光本体异质结对可见光子的吸收不完全。进一步增加本体异质结厚度可以部分抑制可见光范围的响应，但过度增厚会损害其近红外响应。在 20 V 偏压下，设计的器件在近红外区域实现了超过 100% 的 EQE。810 纳米照射下的光响应随偏压增加而增强，尽管其整体水平仍低于可见光模式。

      在高偏压下 EQE 的显著增强主要得益于由增强的内置电场驱动的促进光倍增效应。在高压条件下，光生载流子的分离和传输效率得到提高。同时，更多的电子被陷阱捕获，导致显著的能带弯曲效应。这种效应大幅降低了空穴注入能垒并促进了隧道注入，从而实现了更高的外量子效率和响应度。应当注意，增加工作电压也会导致暗电流升高和噪声水平增加。我们的研究显示（如附图 S3 所示），器件在较低偏压下仍能正常工作，但其外量子效率低于高偏压条件。特别是在近红外工作模式下，器件的量子效率已经降至 100% 以下。

图 2 | 具有增益的双波段光电探测器的工作机制和性能。(a) 具有增益的双波段光电探测器的结构示意图。(b) 可见光模式下的工作机制。(c) 近红外模式下的工作机制。(d) 器件在可见光模式下不同偏压下的 EQE 光谱。(e) 器件在可见光模式下不同入射光功率密度下的 I-V 特性。(f) 器件在近红外模式下不同偏压下的 EQE 光谱。(g) 器件在近红外模式下不同入射光功率密度下的 I-V 特性。(h) 根据可见光模式下的 I-V 特性计算出的 EQE 曲线。(i) 根据近红外模式下的 I-V 特性计算出的 EQE 曲线。

     根据两种工作模式下的 I-V 特性计算出的 EQE 光谱如图 2h,i 所示。EQE 随入射光功率的降低而增加，这是有机光电探测器的典型特征，主要归因于强光照下光生载流子的高密度。首先，载流子相遇概率的显著增强导致了激烈的双分子复合。许多载流子在被电极收集之前就发生了复合，有效地减少了可用电荷载流子的数量，导致 EQE 下降。其次，受限于半导体材料有限的载流子迁移率和电极的电荷提取能力，在高光强下产生的过量载流子会在器件内形成空间电荷。这会扭曲内置电场并阻碍后续载流子的传输，进一步降低电荷收集效率和整体光电转换性能。

2.3 | 双窄带光倍增光电探测器的设计与特性

     虽然背靠背双波段探测器可以通过灵活切换偏压极性来适应不同的探测场景，但两种工作模式之间的光谱重叠仍然存在，无法满足高精度应用的要求。为了解决这一光学串扰问题，引入了 F-P 光学微腔的选择性过滤机制，构建了基于微腔-双本体异质结协同架构的窄带探测器。具体结构如图 3a 所示。该设计通过在原始双本体异质结探测器上顺序沉积 NPB 层和 Ag 反射层，共同构成了带有原始顶部 Ag 电极的光学微腔，从而实现了对器件光谱响应的有效控制。图 3b 展示了微腔结构中不同中间层（NPB）厚度对应的窄带传输光谱，以及通过样品 4 微腔看到的物理图像。样品 1-4 分别对应 90、100、120 和 130 纳米的 NPB 中间层厚度，均带有 25 纳米厚的 Ag 反射层。短波长和长波长光子可以有效地穿过微腔并被本体异质结吸收，而中波段光子则被微腔反射和阻挡。此外，共振条件要求腔内的往返光学路径差必须是半波长的整数倍，以便发生相长干涉，从而产生最大的传输强度。因此，通过调节中间层厚度，近红外区域光学微腔的传输峰可以在 650 至 850 纳米之间连续调谐，从而在与光电探测器结合时实现可调谐探测。以 130 纳米 NPB 层为例，图 3b 顶部的物理图像展示了通过微腔看到的实际景象，在蓝光区域显示出明显的透明度。附图 S4 展示了样品 1-4 的模拟传输光谱。可见光透过率在模拟和实验结果之间的差异是因为实际的谐振器不是理想的平行板腔，导致其有效光学厚度发生变化。以 25/130/25 纳米光学共振腔为例（附图 S4 中的样品 4），其光场分布图如附图 S5 所示。在 450 和 800 纳米附近观察到明显的共振增强。这些增强场的空间分布和强度与附图 S4 中的模拟传输峰以及图 3b 中实验测量的光谱峰非常吻合。这从定量上证实了共振腔的结构设计及其光学特性是驱动探测器光谱收窄的根本原因。

     与光学微腔耦合后，双波段探测器的 EQE 如图 3c 所示。随着微腔的光谱收窄，可见光通道的响应峰蓝移至 450 纳米，FWHM 压缩至 50 纳米，而近红外通道的响应峰红移至 810 纳米，FWHM 减小至 75 纳米。600-700 纳米范围内的 EQE 被显著抑制了约 80%，且 400-500 纳米内的残余响应几乎被消除。此外，附图 S6 展示了与其他单波段探测器耦合的光学微腔的 EQE、I-V 特性和探测率（D*）。在这些器件中观察到的持续低 FWHM 值证实了光学微腔在收窄光电探测器光谱响应方面的有效性。

     图 3d,e 展示了在 450 和 810 纳米单色光照射下，具有不同光功率密度的耦合光学微腔的双波段器件的 I-V 特性。在功率密度为 138 mW/cm² 的 810 纳米照射下，器件在 15 V 时实现了 0.3 mA 的光电流。该值与在没有微腔结构的器件近红外模式下测得的光电流相当，表明微腔对近红外光子保持了较高的高效透过率。此外，正向偏压（近红外模式）下的器件对 450 纳米光的响应极小，而反向偏压（可见光模式）下的器件对 810 纳米光的响应可以忽略不计。这一结果进一步验证了光学微腔在抑制光学串扰方面的有效性。由 I-V 特性计算出的 EQE 响应曲线如图 3f 所示。在较低的光功率密度下，EQE 随偏压增加显著提高，表明载流子收集处于非饱和状态，且在零偏压下存在复合损失。施加偏压下增强的内置电场促进了电荷的分离和提取。

      为了评估该双窄带探测器的弱信号探测能力，使用频谱分析仪测量了其噪声电流谱，并据此计算了 D*。器件的噪声电流和计算出的 D* 值如图 3g,h 所示。在完全黑暗的条件下，我们使用频谱分析仪直接测量了两种工作模式下器件的输出噪声电流谱密度，结果如图 3g 所示。所有频率点上噪声电流谱密度的均方根平均值产生了工作带宽内器件的平均总噪声电流 inoisei_{noise}inoise。这种方法避免了仅依赖散粒噪声估计可能产生的噪声低估，从而确保了后续探测率计算的可靠性。该总噪声包括散粒噪声、热噪声和其他噪声组件。-5 V 偏压下，可见光模式下的峰值 D* 达到 9×1099 \times 10^99×109 Jones，而在 5 V 偏压下，近红外模式下的峰值 D* 达到 5×1095 \times 10^95×109 Jones。

     此外，图 3i 展示了器件的动态范围（DR），表征了其光照强度的操作范围。在 ±15 V 偏压下，这种具有增益的双窄带光电探测器在 450 和 810 纳米照射下均保持了优异的线性响应。在超过 10 W 的单色发光二极管（LED）功率范围内，两个波长的 DR 均保持在 50 dB 以上。这一结果证明了该器件在广泛的光照范围内具有出色的响应线性度，并具有巨大的实际应用潜力。

    关于动态响应，如附图 S7 所示，器件在可见光模式（-5 V）下的上升时间约为 2.4 毫秒，而在近红外模式（5 V）下约为 3.5 毫秒。相应地，如附图 S8 所示，可见光模式的 -3 dB 截止频率也略高于近红外模式。应当指出，响应速度受器件结构、载流子迁移率、光照强度和有效器件面积等因素的影响。重要的是，对于基于外部电荷注入光倍增机制的器件，响应速度还与载流子的捕获时间有关。通常，在这种倍增机制下，较高的增益伴随着响应速度的降低。因此，本文提出的器件的 -3 dB 带宽在几百赫兹的数量级，使其更适合对灵敏度要求高但对响应速度要求相对宽松的探测场景。

2.4 | 双窄带光倍增光电探测器的应用

      双窄带光电探测器由于其双波段探测能力和快速响应特性，在抗干扰光通信中展现出显著优势，使其特别适用于多输入环境中目标信号的精确识别。如图 4a 所示，本研究构建了一个双波段光电信号探测系统。该系统利用信号发生器驱动 450 和 810 纳米单色 LED，实现了不同波长光学信号的同步产生和输出。双窄带探测器和标准硅光电探测器（Thorlabs DET36A2）作为接收器，其输出电信号由示波器实时记录。系统采用二进制编码格式，其中高电平代表“1”，低电平代表“0”。为了验证双窄带探测器在光学信号接收和波形重构方面的性能，将代表特定字母 ASCII 码的波形输入信号发生器以驱动 LED，将电信号转换为光学信号。如附图 S9 所示，光电流幅度清晰可辨，信号形状保持完整，没有失真或混淆，表明该探测器在光通信应用中具有高可靠性。

      在实际通信场景中，干扰信号是不可避免的。为了模拟真实世界的情况，本研究进一步进行了抗干扰实验。在具有多种背景干扰的户外环境中，控制 450 纳米 LED 传输字母“N”（01101110）的光学 ASCII 信号，同时 810 纳米 LED 同步传输字母“J”（01101010）的信号。器件工作在 -5 和 5 V 的偏压下，分别对应可见光模式和近红外模式，并分别进行了独立测试。450 和 810 纳米的信号光同时入射到器件上。如图 4b 所示，当窄带双波段探测器工作在可见光模式时，绿色波形表明器件可以清晰地解析出“N”信号，而不会受到近红外信号或环境杂散光的干扰。同时，紫色波形显示器件在近红外模式下工作时仅准确接收“J”信号。相比之下，硅基光电探测器的输出波形严重混叠，无法辨别有效信息。这一对比清晰地展示了宽带探测器在复杂光谱环境中的局限性，并突显了光谱收窄和波段解耦技术对于增强光通信抗干扰性能的关键重要性。

图 4 | 基于双窄带探测器的抗干扰光通信系统示意图和测试结果。(a) 光通信测试系统示意图。(b) 由信号发生器产生的“N”和“J”光学信号，以及由双窄带探测器在可见光/近红外模式下和由硅探测器分别输出的相应电信号。

      此外，开发的探测器在各种光电系统中展现出广阔的应用潜力，如模数转换、成像和颜色识别。如附图 S10 所示，通过掩模将特定波长的光投射到探测器的光敏区域，随后进行光电流的逐像素扫描和后续计算机归一化，可以成功重构掩模图案。结果表明，本工作提出的高性能双窄带有机光电探测器凭借其卓越的光谱选择性、强大的抗干扰能力和集成友好的架构，为推进具有高精度和可靠性的下一代微型化光电系统提供了坚实的技术支撑。

长江学者南京理工大学隋修宝教授/海外优青李宁教授团队研究单片集成了可见光-近红外双本体异质结与光学微腔，构建了一种光谱可调的双窄带光电探测器。通过精确控制微腔的光学厚度，两个通道的传输光谱被独立定位，使传输峰分别与 450 和 810 nm对齐。这种协同架构使器件在 450 nm实现了超过 1050% 的峰值 EQE，在 810 nm实现了 130% 的峰值 EQE，从而为抗干扰光通信提供了一种无需滤光片的双波段探测解决方案。该技术促进了多光谱探测向微型化和集成化方向发展，为便携式光谱仪和智能传感系统开辟了新途径。

李宁，男，博士，教授，海外优秀青年基金获得者，博士和硕士研究生导师。现任南京理工大学电子工程与光电技术学院教授，研究方向包括光电探测器件与成像系统、新型半导体技术、光电子器件的机理与应用、生物红外成像研究与应用以及可穿戴器件与装备研究。李宁教授于2012年获得山东大学电子科学与技术专业学士学位，2015年获得山东大学光学工程专业硕士学位（免试录取），2018年获得香港浸会大学物理系光电子器件物理博士学位。此后，他先后在香港浸会大学物理系（2018年9月至2019年6月）和美国加州大学圣地亚哥分校电子与计算机系（2019年6月至2022年4月）从事博士后研究工作。2022年6月起，李宁教授加入南京理工大学，担任教授一职。他曾获江苏特聘教授、国家级海外高层次青年人才等荣誉，并担任中国光学工程学会红外技术及应用专业委员会青年科学家工作委员会秘书长、SCI期刊 Photonics 客座编辑，以及 Advanced Materials 和 ACS Applied Materials & Interfaces 等知名SCI期刊独立审稿人。承担包括国家自然科学基金、科技委项目以及南京理工大学拔尖人才项目等多项科研任务。

     隋修宝，南京理工大学电光学院院长、教授、博士生导师，研究方向聚焦红外探测理论与技术、全光信号处理等领域。教育部青年长江学者，兼任中国光学工程学会红外专家委员会副主任委员等职，入选江苏省333工程第二层次培养对象。主持国家自然科学基金重大仪器等国家级课题20余项，近5年科研经费超1.2亿元。以第一/通讯作者发表SCI论文100余篇，授权发明专利47项，2024年获中国光学工程学会技术发明一等奖（排名1）。教学成果丰硕，主讲《红外成像系统》等课程，指导研究生70余名。

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