可偏置切换的双模有机光电探测器，用于光谱自适应视觉和安全编码

《Materials Today》：Bias-Switchable Dual-Mode Organic Photodetectors for Spectrally Adaptive Vision and Secure Encoding

光谱自适应光电探测器通过偏置控制实现可见光与近红外检测模式切换，在350-1200 nm宽谱范围内达到1.2×10^13 Jones检测度，55 nm窄带响应和135 kHz响应带宽显著提升机器视觉环境适应性与识别准确率，并支持光学编码应用。

　　机器视觉系统在复杂光照条件下，如眩光、阴影或低光环境，往往会经历显著的性能下降。这些环境在自动驾驶和智能感知场景中非常常见，对系统的稳定性和准确性提出了严峻挑战。为了应对这一问题，我们提出了一种仿生多模式视觉系统，该系统基于光谱适应性有机光探测器（SA-OPDs），通过外部偏压控制实现宽光谱可见光和窄光谱近红外光的动态切换。这种光谱适应性不仅提升了系统在不同光照条件下的感知能力，还增强了图像对比度和目标识别的鲁棒性，使得原本在强眩光和低光环境下识别准确率仅为65%的场景，提升至超过95%。此外，这种双模式光探测器还支持偏压控制的光学编码，展示了其在安全光学通信中的应用潜力。该硬件级解决方案提供了一种紧凑且节能的替代方案，相比传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器，具有更高的灵活性和适应性。

在介绍部分，我们可以看到，随着自动驾驶、人工智能（AI）和光学通信技术的快速发展，对能够适应动态和不可预测环境的视觉系统的需求也日益增加。这类视觉系统必须应对极端的光照变化，从强烈的眩光到深邃的阴影和低光环境。这些挑战会降低目标检测、跟踪和识别的准确性，因为强烈的光照会导致像素饱和，而低光环境则会降低对比度，从而影响视觉效果。当前主流的CMOS图像传感器主要针对可见光进行了优化，其在近红外（NIR）光谱范围内的灵敏度有限，这限制了其在夜视和恶劣天气等关键场景中的应用。为了克服这些限制，现有的策略通常依赖于计算密集型技术，如高动态范围（HDR）成像、空间滤波、深度学习和多传感器数据融合。虽然这些方法提高了检测能力，但其高功耗和处理需求对于实时应用，尤其是资源受限的系统来说，构成了重大挑战。因此，开发一种能够在环境变化中动态适应，同时减少对高能耗计算依赖的硬件级解决方案，成为了一个迫切的需求。

自然界中的生物系统为设计高性能的光感知技术提供了宝贵的灵感。例如，螳螂虾拥有能够检测紫外线（UV）、可见光和近红外光的感光细胞，使其能够在快速变化的水下环境中保持稳定的视觉能力。同样，变色龙通过调整视网膜色素来调节色彩感知，这不仅有助于伪装，还增强了与环境的互动能力。在水生生物中，硬骨鱼展现出卓越的视觉适应性，它们能够根据环境光照动态调整视网膜中杆状细胞和锥状细胞的迁移。在强光条件下，锥状细胞会移动到视网膜表面，以实现高分辨率的彩色视觉，而杆状细胞则会收缩以防止光损伤；在低光环境下，情况相反，杆状细胞会迁移至表面以增强灵敏度，同时减少能量消耗。这种生物界的动态光谱适应机制为设计能够实现实时光谱调节的光电系统提供了概念上的启发。

基于这些自然机制，我们提出了一种能够实现宽光谱到窄光谱动态调节的光电探测器系统。在正常工作条件下，系统使用宽光谱可见光探测器进行常规感知。然而，对于某些特殊应用，如波长选择性检测、夜视和医学诊断，窄光谱近红外光探测则更受青睐，因为它能够提供更高的检测性能。这种适应性在工业检测等机器视觉应用中尤为重要，因为精确的光谱控制可以提升成像精度和环境感知能力。为了实现宽光谱到窄光谱的适应性，研究者们探索了多种设计策略，包括（1）堆叠无机n-p-n结构以形成具有偏压切换光谱响应的背靠背光电二极管，（2）制造三端级联光电探测器（PDs），以及（3）结合不同吸收波长的材料，并从两侧照射设备。然而，这些方法在实际应用中面临诸多限制，如严格的制造要求或复杂的设备结构，从而限制了其广泛应用。

因此，开发一种更简单、成本更低的解决方案，以实现紧凑的光谱适应性视觉传感器，仍然是一个重要的挑战。在本研究中，我们提出了一种基于溶液法制备的有机光电探测器（OPDs）的偏压可切换光谱适应性传感器系统。这种系统通过在光活性层中垂直调控供体-受体（D:A）比例，实现了宽光谱到窄光谱的动态调节。具体而言，设备的前区域采用了一种厚度约为300 nm的体异质结（BHJ）层，具有较高的供体-受体比例（5:4），增强了短波长的吸收能力，同时抑制了载流子解离。相比之下，设备的后区域则通过提高受体浓度，优化了长波长的吸收能力，从而实现了窄波段响应。这种垂直比例调控不仅降低了窄波段检测所需的总层厚度，还使得系统能够在不同的光照条件下实现灵活的响应。

在窄波段OPD的设计原理部分，我们探讨了多种实现窄波段光检测的策略。例如，使用窄波段光吸收材料、共振增强的电荷转移（CT）吸收、引入厚自滤层以及通过CCN（载流子浓度）调节内部量子效率。然而，每种方法都存在一定的局限性。窄波段光吸收材料的种类有限，CT吸收的OPD容易受到光谱范围的限制，自滤层的引入可能会增加设备的复杂性，而通过CCN调节内部量子效率的方法则需要精确的控制手段。因此，如何在不牺牲性能的前提下，实现更高效、更灵活的窄波段光检测，成为了一个关键问题。

通过本研究的创新设计，我们成功实现了宽波段到窄波段的动态调节。该系统基于溶液法制备的有机光电探测器，通过在光活性层中垂直调控供体-受体比例，使得探测器能够在不同的光照条件下灵活调整其响应特性。这种设计不仅降低了设备的总厚度，还提高了系统的适应性和灵活性。在宽波段检测模式下，探测器能够覆盖350至1200 nm的光谱范围，而在窄波段检测模式下，其响应波长可以精确调整至800至1200 nm，并实现55 nm的半高全宽（FWHM）。此外，这种系统在近红外波段的量子效率（EQE）约为30%，确保了在不同光照条件下的高光谱选择性。

在结论部分，我们总结了本研究的主要成果。通过操纵载流子动力学，我们开发了一种仿生、偏压可切换的光谱适应性传感器系统，基于溶液法制备的有机光电探测器。这种系统能够实现宽光谱到窄光谱的动态调节，覆盖350至1200 nm的光谱范围。通过引入非富勒烯受体（NFAs）层，系统实现了高精度的窄波段检测，其半高全宽（FWHM）可以降低至55 nm，并且在近红外波段的量子效率（EQE）约为30%。这种高光谱选择性确保了系统在复杂光照条件下的稳定性和准确性。

本研究的创新点在于通过外部偏压控制实现宽波段和窄波段的动态切换，而无需依赖复杂的计算方法或额外的硬件组件。这种设计不仅提高了系统的适应性，还降低了其功耗和处理需求，使得其更适合实时应用。同时，该系统在多种场景中表现出色，包括自动驾驶、智能感知和医学诊断等，为未来的智能视觉和通信系统提供了新的思路和技术路径。

在CRediT作者贡献声明中，我们明确了每位作者在本研究中的具体贡献。Zhaohong Tan负责撰写和编辑论文、撰写初稿、提出方法论、进行实验研究和数据管理。Yazhong Wang负责撰写和编辑论文、撰写初稿、指导研究、提出概念框架。Lin Shao和Shuaiqi Li负责提出方法论和进行实验研究。Lu Hao也参与了方法论和实验研究。Yunhao Cao负责提出方法论和进行形式分析。Jingwen Chen负责提出方法论和数据管理。Wenkai Zhong负责撰写和编辑论文、提供资源和支持实验研究。Sheng Dong则负责相关研究工作。

在利益冲突声明中，我们明确表示，作者们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的成果。这表明本研究的发表是基于科学探索和技术创新，而非任何潜在的利益驱动。

在致谢部分，我们感谢Zhaohong Tan和Yazhong Wang在本研究中的平等贡献。本研究得到了中国国家自然科学基金（No. U21A6002）、中央高校基本科研基金（2024ZYGXZR076）和中央高校基本科研基金（2024ZYGXZR082）的支持。这些资助为本研究的顺利进行提供了必要的资源和保障，使得我们能够深入探索光谱适应性有机光电探测器的设计和应用。

综上所述，本研究提出了一种基于有机光电探测器的光谱适应性视觉系统，通过外部偏压控制实现宽波段和窄波段的动态切换。这种系统不仅在复杂光照条件下表现出色，还具备高光谱选择性和低功耗特性，为未来的智能视觉和通信系统提供了新的可能性。通过模仿自然界中生物的适应性机制，我们成功开发出一种更加高效、灵活的解决方案，推动了光电探测器技术的发展。