垂直堆叠单片钙钛矿彩色光电探测器：突破传统滤光片限制的高效色彩传感新范式

本研究针对传统图像传感器因光学滤光片造成的光能利用率低、色彩精度不足等核心问题，创新性地提出基于多层钙钛矿薄膜的垂直堆叠光电探测器架构。通过能带工程调控钙钛矿（APbX3）的带隙，实现了红（R）、绿（G）、蓝（B）三通道50%/47%/53%的外量子效率（EQE）和3.8%的ΔELab色差表现，其性能超越现有CFA（色彩滤波阵列）和Foveon型传感器，为高灵敏度、无伪影成像提供了新方案。

　　

在数字成像领域，人类对色彩保真度的追求从未停歇。传统CMOS图像传感器依赖色彩滤波阵列（CFA）进行分光，却因被动吸收机制导致三分之二的光能被浪费；而Foveon型垂直堆叠传感器虽提高光利用率，却受限于硅材料固有的宽谱响应特性，色彩分离度不足。这些根本性缺陷使得现有技术难以兼顾高灵敏度和准确色彩再现——这正是苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）团队在《Nature》发表突破性研究的出发点。

研究团队开创性地采用卤化铅钙钛矿（APbX_{3）薄膜作为活性滤光层，利用其可调带隙特性（1.6-3 eV）构建三明治式探测器。通过精确控制MAPbBrI2（红）、CsPbBr2I（绿）、CsPbBr2Cl（蓝）的组分，首次实现单片集成化的光谱选择性吸收。这种"光学漏斗"结构不仅规避了传统CFA的插值伪影，更将光利用率提升至理论极限。}

关键技术包括：（1）全真空蒸发沉积钙钛矿多层膜，避免溶液加工导致的层间溶解；（2）磁控溅射透明电极（ITO）与SiO_x介电隔离层；（3）基于CIELAB色彩空间的ΔE定量评估体系；（4）8×8×3交叉阵列与64×64 TFT读out电路的集成验证。

【堆叠探测器结构】

扫描电镜揭示的500 nm厚三明治结构中，各功能层通过2PACz（空穴传输层）、PCBM（电子传输层）等实现载流子高效提取。J-V曲线显示在-1 V偏压下暗电流低至10-50 nA cm^-2，3 dB带宽达5.1-12.7 MHz，满足动态成像需求。

【色彩精度验证】

通过Macbeth色卡测试，优化后的转换矩阵使ΔE_Lab降至3.8（Foveon为12.8），Frobenius范数0.18证实近对角矩阵特性，意味着更低的跨通道噪声耦合。

【成像性能】

机械堆叠的64×64 TFT阵列成功捕获色卡图像，验证了无需去马赛克算法的优势。模拟实验显示CFA模式会出现明显伪影（左），而堆叠结构保持原始分辨率（右）。

这项研究标志着图像传感技术的范式转变：钙钛矿堆叠架构同时解决了CFA的光损耗（EQE提升2倍）和Foveon的色彩串扰难题。其意义不仅限于消费电子——在机器视觉领域，可调吸收边特性为多光谱识别开辟新途径。未来通过与CMOS读out电路的单片集成，或将重塑从手机摄像到医疗内镜的整个成像产业链。正如作者Sergii Yakunin强调的，这是首个将钙钛矿能带工程优势转化为实际成像性能的完整技术验证，为后硅时代的光电探测树立了新标杆。