基于GaP/MgF2/ZnSe光学调制层的可见盲近红外有机视觉传感器及其在恶劣环境成像中的应用

《Advanced Optical Materials》：Visible-Blind Near-Infrared Organic Vision Sensors for Imaging in Adverse Environmental Conditions

　　

在雾、霾和低能见度等恶劣环境条件下实现可靠成像，对于自动驾驶、安防监控和机器视觉等应用至关重要。可见盲近红外（near-infrared, NIR）有机光电探测器（organic photodetectors，OPDs）通过在增强NIR探测的同时抑制环境可见光干扰，提供了一种极具吸引力的解决方案。然而，在强可见光衰减与高NIR灵敏度之间取得平衡仍然是一项重大挑战。本工作中，研究人员提出了一种高性能可见盲NIR OPD，其采用通过高通量光学筛选优化的多层GaP/MgF₂/ZnSe光学调制层（optical modulation layer, OML）。该设计协同实现了强可见光衰减与显著NIR增强，使OPD在?1.0 V偏压下、1050 nm波长处实现了0.32 A/W的响应度和6.79 × 10¹² Jones的比探测率，并显著改善了光谱选择性。将64 × 64 OPD阵列与薄膜晶体管背板单片集成，构建了一种即使在雾天或弱光条件下也能实现高对比度NIR成像和模式识别的视觉传感器。这种基于OML的可见盲NIR OPD策略为先进机器视觉建立了可扩展且可靠的平台，在下一代环境监测、自动驾驶和安防系统中具有巨大应用潜力。

# 可见盲近红外有机光电探测器与视觉传感器：面向恶劣环境成像的光学调制策略

## 研究背景与问题

在烟雾、雾、霾等低能见度环境下实现可靠成像，是自动驾驶、医疗诊断、工业监测和国防安防等众多领域的关键需求。传统硅基图像传感器（如CMOS和CCD）在低能见度环境中捕获高对比度近红外（near-infrared, NIR）图像时，容易受到环境可见光带来的显著背景噪声干扰。虽然常采用光学滤光片抑制可见光干扰，但这会降低传感器灵敏度并增加系统成本。有机光电探测器（organic photodetectors, OPDs）凭借有机半导体材料可调谐的吸收特性、溶液可加工性以及内在的光谱选择性潜力，成为一种有前景的替代方案。可见盲NIR OPD能够从原理上最小化可见光影响，同时保持NIR区域的高灵敏度，无需外部滤波。然而，将透明OPD集成到实际成像系统中，同时实现可见光衰减与NIR响应增强仍然面临挑战：透明OPD阵列与薄膜晶体管（thin-film transistor, TFT）背板集成时，往往会损害NIR波长范围的光提取效率和外部量子效率（external quantum efficiency, EQE）。已有的可见盲NIR OPD方案，如光学微腔结构、电荷收集窄化（charge collection narrowing, CCN）以及内置衰减层结构，分别存在引入紫外谐振、降低总体光响应或响应速度变慢等问题。因此，迫切需要一种既能抑制可见光响应又不牺牲NIR灵敏度的新型器件设计。

## 研究内容与结论

研究人员提出了一种利用光学调制层（optical modulation layer, OML）实现高性能可见盲NIR OPD的策略。OML由GaP（80 nm）/MgF₂（110 nm）/ZnSe（60 nm）三层结构组成，通过热蒸发沉积，旨在最大化NIR灵敏度同时强烈衰减可见光。借助高通量计算筛选，研究人员对多层OML的层厚度和材料组合进行了系统优化。以220 nm厚的三元共混物PTB7-Th:COTIC-4F:Y6为光活性层，所制备的可见盲NIR OPD在?1.0 V偏压下、1050 nm波长处实现了6.79 × 10¹² Jones的比探测率（D* ）和15.12的可见盲NIR选择性因子（S），响应度为0.32 A/W。进一步将64 × 64 OPD阵列与硅基TFT背板单片集成，构建了可见盲NIR视觉传感器，在雾天和弱光条件下实现了高对比度NIR成像和模式识别。该OML策略还可推广至PM6:BTP-eC9活性层体系，在850 nm处获得6.40 × 10¹² Jones的D*和5.37的S因子，展示了其在不同材料体系和波长范围内的通用性。这项研究为恶劣环境下的机器视觉提供了一种可扩展、可靠的平台技术，对下一代环境监测、自动驾驶和安防系统具有重要意义。

## 主要关键技术方法

研究人员首先制备了ITO/ZnO（50 nm）-noroxylin/PTB7-Th:COTIC-4F:Y6（200 nm）/MoO₃（10 nm）/Au（2.5 nm）/Ag（15 nm）结构的透明宽带OPD作为对照器件，其中noroxylin修饰的ZnO电子传输层用于钝化界面缺陷以降低暗电流。OML通过热蒸发沉积，GaP蒸发速率为0.8 ?/s，介电材料蒸发速率为2.0 ?/s。高通量光学筛选基于传输矩阵法（transfer matrix method, TMM），以实验测得的各功能层折射率n(λ)和消光系数k(λ)为输入参数，在约400万种OML构型中搜索最大化可见盲NIR选择性因子S的最优设计。器件性能表征包括暗电流密度-电压特性、EQE光谱、噪声频谱密度、线性动态范围、瞬态光响应和?3 dB截止频率等。成像测试采用64 × 64硅基TFT背板，像素面积为500 μm × 500 μm，使用“SHU”字母掩模和人体图形掩模，在550 nm可见LED和1050 nm NIR LED照明下，并利用干冰产生人工雾模拟低能见度环境。

## 研究结果

### 光学特性分析与OML优化

高温热蒸发制备的非晶GaP薄膜的吸收边相比单晶GaP（约550 nm）发生显著红移，延伸至800 nm，这源于热蒸发过程引入的结构无序和缺陷，导致非化学计量比（Ga:P原子比为0.71:1）和Urbach尾态。高通量筛选结果表明：仅由介电层组成的双层OML最大S值约为3，可见光衰减不足；引入60 nm非晶GaP后最大S超过10。单层GaP（40 nm）OML虽能有效阻挡可见光，但不能增强NIR EQE；双层MgF₂（20 nm）/ZnSe（60 nm）OML可协同增强NIR，但对可见光抑制有限；三层GaP（80 nm）/MgF₂（110 nm）/ZnSe（60 nm）OML则同时实现高效可见光衰减和NIR EQE增强。光学场分布和激子产生速率模拟进一步证实，三层OML通过GaP吸收和MgF₂/ZnSe介电层间的相长干涉，在抑制可见光激子产生的同时增强NIR激子产生。

### 器件性能表征

所有OPD器件均表现出约10^?9 A/cm²量级的低暗电流。三层OML器件在1050 nm处EQE达38%，S因子为15.12，显著高于对照器件（0.70）、单层OML（4.18）和双层OML（3.26）器件。在?1.0 V偏压下，三层OML器件在1050 nm处获得0.32 A/W的响应度和6.79 × 10¹² Jones的D*，优于对照器件（0.15 A/W，3.67 × 10¹² Jones）并与双层OML器件相当（0.33 A/W，6.83 × 10¹² Jones）。噪声频谱密度分析显示OML结构不会提高低频噪声水平。线性动态范围方面，双层和三层OML器件分别达到135 dB和134 dB，高于对照和单层OML器件的125 dB。所有器件的响应速度相近，上升时间为7.4–8.8 μs，下降时间为7.8–9.5 μs，?3 dB截止频率为64–66 kHz，表明OML集成不牺牲响应速度。此外，OML还充当内置封装层，改善了器件的长期稳定性。在PM6:BTP-eC9体系中，三层OML器件在850 nm处获得6.40 × 10¹² Jones的D*和5.37的S因子，验证了OML策略对不同活性层体系的适用性。

### 可见盲NIR视觉传感器成像验证

研究人员制备的64 × 64可见盲NIR OPD阵列与TFT背板单片集成后，在1050 nm均匀照明下表现出高度均匀的光电流分布。使用“SHU”字母掩模测试表明：不含OML的对照传感器在550 nm可见光和1050 nm NIR照明下均能成像，反映其宽带响应特性；而含三层OML的传感器仅在1050 nm照明下获得高对比度图像，在可见光下几乎无响应，展示了有效的可见盲行为。在人工雾环境下对人体图形掩模进行模式识别测试：对照传感器在550 nm可见光照明下因Mie散射产生严重图像畸变和高噪声电流，而OML传感器对可见光响应可忽略；在1050 nm NIR照明下，OML传感器图像对比度明显更高；在可见光和NIR同时照明的现实场景中，对照传感器图像模糊、对比度低，而OML传感器仍能呈现清晰高对比度的人体图形。这些结果证明，通过选择性地抑制可见光响应并增强NIR灵敏度，可见盲NIR视觉传感器能够在雾天等低能见度条件下实现可靠成像。

## 讨论与结论

该研究通过多层OML设计，在无需外部滤光片或后处理的情况下，同时实现了可见光抑制和NIR增强，克服了传统CCN和内置滤波器方案响应速度慢、工作电压高的局限。OML设计平台具有显著灵活性，可通过整合内置可见光耗尽层或光子结构进一步定制光谱响应。总之，研究人员展示了一种基于GaP/MgF₂/ZnSe多层OML的高性能可见盲NIR OPD，在1050 nm处获得D*为6.79 × 10¹² Jones、S因子为15.12的性能指标；通过单片的64 × 64 OPD阵列与TFT背板集成，实现了雾天或低能见度条件下优越的成像和识别能力。该集成方案为低能见度和弱光机器视觉带来了显著进步，可支持恶劣条件下的先进应用。