导读

近红外成像芯片在安防监控、自动驾驶、生物识别、消费电子等领域有着重要的应用。然而，传统的硅（Si）、锗（Ge）、铟镓砷（InGaAs）等近红外成像芯片存在制备工艺复杂、温度敏感和噪声大等问题，导致其制造成本高及成像质量差，制约了其广泛应用。为此，山西大学肖连团/秦成兵/杨志春团队联合华中科技大学陈炜教授开发了基于新型金属卤化物钙钛矿的超快近红外光电探测器，并成功与商用硅基薄膜晶体管（TFT）读出电路单片集成，实现了近红外成像芯片，为高性能、低成本近红外成像芯片的设计与开发提供了新的技术选项。

相关研究成果以“A monolithically integrated near-infrared imager with crystallization- and oxidation-modulated tin-lead perovskites”为题发表在国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》。山西大学杨志春副教授为论文第一作者，山西大学肖连团教授、秦成兵教授、杨志春副教授和华中科技大学陈炜教授为共同通讯作者。

研究背景

随着工业生产、生物医学和智能制造等领域的快速发展，近红外成像芯片的市场需求急剧增加。通常，近红外成像芯片由近红外光电探测器阵列与互补金属氧化物半导体（CMOS）或TFT读出电路单片集成，以减少信号传输过程中的损耗，提升成像速度和图像质量。传统的近红外探测器是基于Si、Ge和InGaAs等无机半导体构建而成，但该类材料需要高温、高真空制备，导致其制造成本高且难以与柔性基底兼容，且Ge和InGaAs半导体存在与硅基读出电路单片异质集成困难等问题。近年来，溶液可加工材料（胶体量子点、有机半导体、金属卤化物钙钛矿等）具有与商用读出电路、柔性基底兼容性高等优势备受广泛关注。其中，锡铅钙钛矿因其光学带隙窄、光谱响应范围宽、光吸收系数高、载流子迁移率高等优势，被誉为高性能近红外光探测器的理想活性材料之一。

然而，锡铅钙钛矿薄膜质量仍面临以下关键挑战。一方面，Sn²⁺的高路易斯酸性导致锡铅钙钛矿结晶速度不易控制，薄膜表面易于形成裂纹和针孔，且薄膜结晶质量差；另一方面，Sn²⁺的5s轨道电子反应活性高，易于氧化并形成Sn空位缺陷，导致薄膜电学性能下降。锡铅钙钛矿薄膜质量不足是制约探测器暗电流、外量子效率和响应速度的关键。

创新研究

首先，研究团队基于路易斯酸碱相互作用，创新性地将室温非挥发路易斯碱二苯基亚砜（DPSO）分子引入锡铅钙钛矿前驱体溶液，抑制Sn²⁺氧化并延缓锡铅钙钛矿结晶，提升薄膜形貌及结晶质量（图1）。

图1. Sn²⁺氧化及锡铅钙钛矿薄膜质量表征。

其次，基于DPSO调控的锡铅钙钛矿薄膜，构建了光伏型光电探测器，器件在近红外（780-1100 nm）波段展现出优异的外量子效率、响应度、比探测率和较低的暗电流。此外，探测器的线性动态范围达到174 dB，且具有较快的响应速度（上升/下降时间为14.2/17.1 ns）。未封装器件在空气中连续工作（980 nm辐射）50分钟，性能无明显衰退（图2）。

图2. 单像素锡铅钙钛矿光电探测器的结构及性能。

最后，基于已构建的钙钛矿近红外光电探测器，通过与商用TFT读出电路单片集成，实现了钙钛矿近红外成像芯片，芯片在980 nm辐射下，对典型图案“I ♥ SXU”清晰成像，其空间分辨率达到1.32 线对/毫米。

图3. 锡铅钙钛矿近红外成像芯片的结构及成像应用。

总结展望

本研究通过向锡铅钙钛矿前驱体溶液引入DPSO分子，有效延缓了锡铅钙钛矿的结晶并抑制了Sn²⁺氧化，提升了锡铅钙钛矿薄膜的质量，构建了高性能锡铅钙钛矿近红外探测器，并通过与商用TFT读出电路单片集成，实现了锡铅钙钛矿近红外成像芯片，为高性能、低成本近红外成像芯片的开发提供了新的技术选项，有助于推动金属卤化物钙钛矿光电子器件的产业化应用。未来，锡铅钙钛矿近红外探测与成像芯片可广泛应用于激光雷达、光通信、消费电子、生物医疗、安防监控等领域。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01987-8