双频红外 PbS 胶体量子点探测器焦平面阵列

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我们身边的许多物体在表面之下隐藏着重要细节：水果内部的碰伤、塑料零件的缺陷，甚至活体组织内部的结构。本文介绍了一种新型微小相机芯片，能同时在两种不同的红外“颜色”下成像，从而既能观察近表层也能探测更深处的结构。该器件采用低成本、溶液工艺制备的材料，并可与标准电子器件兼容，指向未来更小、更便宜且更易集成到日常设备（从分拣线到医疗工具）的扫描仪发展方向。

为什么两种不可见的波段很重要

我们的眼睛只能看到一小段波谱。在红光之外是近红外（NIR），再远一些是短波红外（SWIR）。这些波段与材料的相互作用各不相同：它们对水、脂肪和糖等化学键有不同响应，并且穿透深度也不同。因此，NIR 和 SWIR 成像可以同时揭示表面纹理和内部结构。现有将两者结合的系统通常需要两个独立探测器——通常用硅来检测 NIR，用铟镓砷化合物检测 SWIR——再配合笨重的光学元件对准和用软件合成图像。这样的配置功能强大，但体积大、成本高，而且难以缩小到便携设备或高密度相机阵列中。

通过叠层量子点实现双频视觉

作者使用胶体量子点来应对这一挑战，胶体量子点是硫化铅（PbS）纳米晶体，其吸收波长可通过改变粒径来调节。他们构建了一个垂直叠层的单一器件，包含两层 PbS：上层由较小的量子点组成，偏向吸收 NIR；下层由较大的量子点组成，对 SWIR 敏感。通过精心选择的触点和阻挡层将其夹在一起，这种 p-i-n-i-p 结构表现得像两个背靠背的二极管。当器件两端加上某一偏压时，电场有利于主要收集来自对 NIR 敏感的顶层的载流子；当偏压反向时，则有利于收集来自对 SWIR 敏感的底层的载流子。实际上，同一像素只需改变偏压就能在两种不可见“颜色”之间“切换”。

干净的信号与低串扰

这类设计的一大难题是串扰：NIR 光泄入 SWIR 通道或反之，导致难以区分信号来自哪个波段。研究者通过精细的能带工程解决了这个问题。他们在层间引入了对一种载流子类型的强阻挡，使得在所选偏压下，载流子主要仅从某一个吸收层流出。通过绘制探测器在不同波长和电压下的响应，他们找到了一个波段占优而另一个被强烈抑制的工作点。所得器件在 NIR 和 SWIR 两个波段都达到非常高的灵敏度（在标准单位下的探测率超过 10^11），同时在室温下将 SWIR 对 NIR 信号的污染控制在约 0.5%，将 NIR 泄漏到 SWIR 控制在 8% 以下。

从单像素到可工作的相机芯片

为了展示这不只是实验室的趣味性，团队将他们的量子点叠层直接封装到定制的读出芯片上，形成了一个 128×128 像素的焦平面阵列。该读出电子学设计能处理两种电流极性，因此同一芯片只需翻转偏压就能先以 NIR 模式工作，然后以 SWIR 模式工作。所得相机能捕获每秒数百帧。在演示中，它展示了油漆下的图案、甚至透过硅片的结构，因为 NIR 和 SWIR 光在这些材料中的透过性不同。它还能区分有色墨水和不透明塑料瓶中的物品，凸显了两种波段在质检、分拣和安检等应用中可同时揭示同一场景的不同信息。

这对未来传感器意味着什么

通俗地说，这项工作将我们更进一步带向体积更小、价格更低且能看得比人眼更多的相机，这些相机用单一简单芯片取代了两个独立探测器。通过利用溶液工艺的量子点和巧妙的叠层设计，作者实现了可按需在两种不可见波段间切换、噪声低且通道间混叠小的传感器。这类双频红外成像器可帮助农民发现水果的隐蔽碰伤、帮助工厂在出货前发现缺陷，并能让医生或研究人员非破坏性地探查组织——而这些技术原则上可以在硅基上进行规模化制造。

引用: Di, Y., Ba, K., Ye, L. et al. Dual-Band Infrared PbS Colloidal Quantum Dot Focal Plane Array. Nat Commun 17, 3527 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69199-1

关键词: 双频红外成像, 量子点光电探测器, 近红外和短波红外, 焦平面阵列, 多光谱传感