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Sci. Adv.:利用仿生光电二极管堆叠和钙钛矿下转换进行CMOS紫外光谱成像

重点摘要

最近,由伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的Viktor Gruev和Shuming Nie等领导的研究团队发表了一项研究。

  • 仿生UV感测器结合钙钛矿纳米晶体和垂直堆叠硅光二极管
  • 模仿大凤蝶(Papilio xuthus)眼睛的分层光受器结构
  • 实现具有高空间和时间分辨率的波长解析UV成像
  • 同时检测UVB诱导的荧光和直接UVA吸收
  • 通过自荧光区分癌细胞和正常细胞
  • 潜在应用于医学成像、军事追踪、需要增强UV光谱识别的自动化领域

研究背景

像大凤蝶(Papilio xuthus)这样的蝴蝶拥有专门的视觉系统,能够感知比人类更广泛的颜色和紫外线(UV)光线。它们的眼睛单元称为小眼,包含具有不同光谱敏感性的光受器,呈分层结构。约三分之一的小眼含有UV荧光色素,可以吸收UV光并发出荧光,被底层的光二极管检测到,使得蝴蝶能够区分微小的UV光谱变化。然而,由于硅的快速吸收UV光,硅影像传感器在UV敏感性方面存在限制。在这里,我们提出了一种仿生成像感测器,该感测器结合了一层钙钛矿纳米晶体和垂直堆叠的硅光二极管,以模拟大凤蝶的UV检测机制。纳米晶体吸收UV光,发出荧光,被光二极管检测到,而顶部的光二极管直接检测剩余的UV光。这使得能够进行波长解析的UV成像,可应用于医学诊断等领域。

研究结果

  • 仿生感测器受到大凤蝶的UV敏感视觉系统启发,利用分层光受器结构和萤光色素来检测和区分UV波长。
  • 该感测器将垂直堆叠的矽光二极体与一层钙钛矿(CsPbBr3)纳米晶体(PNCs)结合,作为降频层。
  • 通过两种机制检测UV光子 – 顶部光二极体直接吸收,以及PNC层吸收后发出可被底层光二极体检测到的可见萤光,从而实现光谱区分。
  • 将PNC层厚度优化至2μm,在300-400nm的UV范围内实现最大化的光谱区分。
  • 通过自萤光成像,该感测器表现出对芳香族氨基酸和癌细胞/正常细胞UV特征的99%区分度。
  • 展示了用于生物医学应用(如肿瘤边缘检测)的实时、高分辨率、波长解析的UV成像的关键能力。

研究方法

  • 该仿生成像传感器将薄层铯铅溴(CsPbBr3)钙钛矿纳米晶体(PNCs)与垂直堆叠的硅光二极管结合。
  • PNCs吸收UVB光(> 250nm)并发出光二极管检测到的绿色荧光。顶部光二极管直接检测剩余的UVA光(> 300nm)。
  • 通过模拟优化PNC层厚度,以最大化UV光谱分辨率。最佳厚度为2μm。
  • 传感器采用标准CMOS工艺制造。PNCs被合成并旋涂在成像传感器上。

结论

本文提出了一种新型的仿生CMOS紫外光谱成像器。该传感器独特地结合了钙钛矿纳米晶体和垂直堆叠的硅光二极管,实现了对UV特征的实时、高分辨率、波长分辨的识别。这克服了硅探测器在UV灵敏度方面的限制。纳米晶体层的优化允许在癌细胞和正常细胞的自发荧光光谱之间实现99%的区分度。这种光谱生物成像能力可能在医学诊断、工业传感和自动化领域有多种应用。总体而言,这项工作展示了通过仿生光子设计增强CMOS成像器中UV探测的途径,为光谱成像开辟了新的可能性。

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