大连理工大学乔文强教授&南京大学韩金峰研究员AMI:用于单像素计算光谱仪和无滤光片色彩传感器的偏压可调伪平面异质结有机光电探测器

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光谱传感是化学分析、环境监测、生物医疗和工业质检等领域的基础技术。传统台式光谱仪依赖色散光学元件和多像素探测器阵列，性能优越但体积庞大、成本高昂，难以应用于可穿戴设备、即时诊断和物联网等便携场景。计算光谱学通过先进编码与重构算法，从少量测量值中恢复完整光谱信息，大幅减小仪器尺寸。其中，基于偏压调制的单像素探测器因无需空间分布编码元件而备受关注。已有研究采用黑磷、范德华异质结等低维材料实现偏压可调响应，但存在带宽受限、探测率低、重复性差等问题。有机半导体凭借溶液加工性、柔性、可调吸收和低成本大面积制备优势，成为新一代微型光谱仪的理想材料平台。

大连理工大学乔文强教授&南京大学韩金峰研究员等人报道了一种基于伪平面异质结（PPHJ）有机光电探测器（OPD）的单像素有机计算光谱仪（OCS）。通过可控的逐次沉积工艺，实现了给体-受体的梯度分布，获得了具有强非线性相关的偏压依赖光谱响应（皮尔逊相关系数范围为-0.07至1.00）。该OCS的探测率高达7.84×10¹² Jones，响应时间快至2.85 μs，能够在300-1000 nm范围内精确重建单色光和宽带光谱，归一化均方根误差（NRMSE）低至0.0034。此外，同一器件结构通过在四个预定义偏压下读取光电流，可直接作为无滤光片四通道色彩传感器，无需光谱滤光片或复杂算法。这种极简设计在单个活性层中实现了高性能，为便携式和集成化光谱应用提供了重要潜力。该文章以“A Bias-Tunable Pseudo-Planar Heterojunction Organic Photodetector for Single-Pixel Computational Spectrometer and Filterless Color Sensor”为题发表在国际顶级期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。

图2-PPHJ-OPD的器件结构与外量子效率特性：图2a示意了在不同厚度PBDB-T基底上通过SqD形成D-m-A型PPHJ的动力学过程：PBDB-T层越厚，受体SN6IC-4F渗透深度相对越浅，导致给体/受体界面在垂直方向上的梯度分布不同。图2b展示了完整的器件结构：ITO/PEDOT:PSS/PPHJ/C60/Al，其中C60作为电子传输层。图2c和2d分别展示了不同PBDB-T厚度（100-900 nm）下器件在零偏压时的外量子效率（EQE）谱和归一化EQE谱。随着活性层厚度增加，整体EQE下降，这是由于载流子传输路径延长导致复合增加。值得注意的是，归一化EQE曲线显示，在约600 nm和800 nm处响应被显著抑制。600 nm光子主要被PBDB-T表层吸收，但该区域缺乏足够的D-A界面，激子难以解离；800 nm光子被位于PPHJ中上层的SN6IC-4F吸收，电子提取路径受限导致猝灭。当PBDB-T厚度达到500 nm时，600 nm附近的响应几乎完全消失；超过700 nm后，可探测光电流主要来自受体吸收带和给体吸收带边缘。这为后续通过偏压调制不同波长响应提供了结构基础。

图3-偏压对EQE谱的调制与三区模型机理：图3a示意了在给体-受体垂直分布和外加电场共同作用下，PPHJ薄膜中激子分离和电荷传输的三区模型：I区为纯PBDB-T区域（靠近阳极），激子远离D-A界面，主要发生复合，外加偏压影响微弱；II区为梯度混合区，激子部分解离但电荷传输效率低，反向偏压可显著提高电荷收集效率；III区为良好混合区（靠近阴极），激子高效解离但空穴传输不平衡，反向偏压加速电荷分离与传输。图3b解释了正向偏压下的光电倍增机制：在低受体浓度区域，电子提取受阻，空穴被注入，导致EQE超过100%。图3c-f分别展示了PBDB-T厚度约500 nm、400 nm、300 nm和200 nm的器件在不同偏压下的归一化EQE谱和热图。关键发现：500 nm厚器件在反向偏压下整体EQE增加但归一化形状变化不大，表明I区过厚限制了光谱调制能力；400 nm和300 nm器件在600 nm和800 nm处的响应随反向偏压显著增强，实现了优异的偏压可调性；200 nm器件因受体近乎均匀渗透，垂直异质性减弱，偏压敏感性降低。这一系统研究确立了300-400 nm为最优厚度范围，为计算光谱仪提供了多样化的编码函数。

图4-光谱重构原理与性能验证：图4a展示了计算光谱重构的工作流程：首先在多个偏压条件下测量器件对不同波长已知光源的响应，构建响应矩阵R；对于未知光谱S，测量其在各偏压下的光电流向量I，通过求解线性方程组I = R·S并施加Tikhonov正则化约束，反推出原始光谱。图4b展示了不同偏压下光谱响应之间的皮尔逊相关系数热图，数值范围从-0.07到1.00，表明响应函数之间具有显著的非线性差异，为高质量重构提供了充分的信息熵。图4c展示了单色光重构结果：目标波长分别为450 nm、550 nm、650 nm、750 nm和850 nm，重构光谱（实线）与商用光谱仪测量值（虚线）高度吻合，证明了系统对窄带光源的精确重建能力。图4d展示了复杂宽带光谱的重构——5050 RGB LED的混合光谱，重构结果与商用仪器测量值几乎完全重叠，归一化均方根误差低至0.0034。这一极低的误差值表明，仅凭单个像素和偏压调制即可实现媲美传统光谱仪的精度，无需任何色散元件或滤光片阵列。

图5-无滤光片四通道色彩传感器应用：图5a展示了传统硅基彩色图像传感器的Bayer滤光片阵列结构，每个像素只能记录红、绿、蓝中的一种颜色，牺牲了空间分辨率和灵敏度。图5b展示了本文PPHJ-OPD在900 nm厚PBDB-T层下的归一化EQE谱随偏压的变化，四个不同偏压状态（-4 V、-2 V、0 V、+0.3 V）呈现出截然不同的波长响应模式。图5c对应本文提出的无滤光片单像素色彩传感器方案，通过时序施加四个偏压并读取光电流，即可区分四个宽波段。图5d为商用索尼IMX249图像传感器的光谱响应曲线，其通道间存在明显的光学串扰。基于图5b的响应特征，作者总结出“光谱指纹”表：高反向偏压（-4 V）对所有四个波段均有响应；低反向偏压（-2 V）对300-510 nm无响应，其他三个波段有响应；零偏压下仅对640-780 nm和780-1000 nm有响应；正向偏压（0.3 V）仅对780-1000 nm有响应。因此，未知入射光只需测量四个偏压下的光电流，即可直接归类为蓝-青（300-510 nm）、绿-橙（510-640 nm）、红-深红（640-780 nm）或近红外（780-1000 nm）波段。这种方法完全避免了物理滤光片和复杂算法，从根本上消除了光学串扰，并实现了100%的填充因子。

【文献总结】

该文通过精巧的垂直形貌工程，在单一有机光电探测器活性层中实现了计算光谱仪和无滤光片色彩传感器的双重功能。研究者采用逐次沉积法制备了PBDB-T:SN6IC-4F伪平面异质结（PPHJ），利用给体材料的高分子量诱导的溶胀行为，限制了受体的渗透深度，形成了从纯给体区到梯度混合区再到良好混合区的垂直梯度分布。这种结构使得不同波长的光子在不同深度被吸收，其激子解离和电荷收集效率受外加偏压的差异性调制，从而获得了具有强非线性相关的偏压依赖光谱响应。最优器件（PBDB-T厚度300-400 nm）实现了7.84×10¹² Jones的高探测率和2.85 μs的快速响应。结合Tikhonov正则化重构算法，该单像素计算光谱仪在300-1000 nm范围内对单色光和宽带光谱均实现了高精度重建（NRMSE低至0.0034）。此外，同一器件在900 nm厚度下，仅需在四个预定义偏压下读取光电流，即可直接区分蓝、绿、红、近红外四个波段，构成无滤光片色彩传感器，避免了传统Bayer滤光片的空间分辨率损失和光学串扰问题。这项工作展示了如何通过单一活性层的形貌工程而非复杂多层异质集成，来实现微型化、高性能、多功能的光谱传感系统，为便携式光谱分析和集成化光电子器件提供了全新的设计范式。

文章信息：Zhipeng Liu, Wenli Zhang, Xin Wang, et al.A Bias-Tunable Pseudo-Planar Heterojunction Organic Photodetector for Single-Pixel Computational Spectrometer and Filterless Color Sensor

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.5c25593