在此，香港中文大学赵铌教授课题组报告了一种微型光学光谱仪，它基于一个光学间隔集成的光倍增型有机光电探测器，具有可偏置调节的光谱响应。这种方法可以根据一组不同偏置电压下测得的光电流计算重建入射光光谱。该器件占地面积为 0.0004 cm2，能够在整个可见光波长范围内宽带工作，分辨率为 5 纳米以下。为了说明这种方法的能力，作者制作了一个 8 × 8 光谱传感器阵列，可用于高光谱成像。相关成果以“A microsized optical spectrometer based on an organic photodetector with an electrically tunable spectral response”为题发表在《Nature Electronics》上，第一作者为Xie He。
赵铌教授于2008年获得剑桥大学（英国）物理学博士学位。从2008年至2010年，她在麻省理工学院（美国）担任博士后研究员。赵老师在麻省理工学院的工作涉及开发新型混合太阳能电池结构，该结构将胶体纳米晶体量子点与有机和无机材料结合。在加入麻省理工学院之前，她曾在英国剑桥卡文迪许实验室的光电子组工作。她的博士论文主要关注基于聚合物的场效应晶体管的器件物理，有机半导体/介电界面的电荷传输机制以及使用喷墨印刷技术的纳米级图案化。赵铌教授于2010年12月加入香港中文大学（CUHK）电子工程系。
设备运行机制
小型光学光谱仪的操作机制如图1a所示。作者采用电压可调光谱响应的光间隔集成PM-OPD来捕获光谱信息，通过基于神经网络的算法简化测量过程并降低计算复杂度。关键在于矩阵R，为获得高光谱分辨率，R在每个偏压下需包含不同的响应度向量。传统光电探测器由于波长色散不足和缺乏偏压选择性光载流子操纵，难以实现这种特性。作者采用光学间隔件集成的PM-OPD，通过背对背肖特基二极管配置，在有源层两侧建立低功函数接触，抑制暗电流并在光下促进空穴注入。光学间隔件的引入显著增强了波长色散（图1b-e），实现了可调谐光谱响应。例如，两个波长分量λ1和λ2在不同偏压下的光电流变化说明了这一效应（图1f）。在5V偏压下，只有λ2分量产生显著光响应，而在15V偏压下，λ1分量也能有效响应（图1g）。这种设计增强了光谱响应的可变性，适用于计算光谱重建。
图1：微型光学光谱仪的示意图
材料优化
为了优化光谱器件的光学和电学特性，确保其在整个可见光谱范围内进行精确光谱重建，作者改进了有源层成分和顶部接触电极。常用的混合物显示出光强度依赖性响应度（图2a），因此引入PTB7-Th作为第二聚合物供体，显著提高了线性度和响应速度（图2a, b），并扩展了光谱响应。PTB7-Th改变了能量和形态景观，打破了PC71BM和P3HT之间的高势垒，增强了电荷重组的界面面积。选择比例为60:40:5的PTB7-Th:P3HT组合物，提供了超过100 dB的LDR。ToF-SIMS深度分析验证了有源层的均匀分布（图2c）。为集成光学间隔层，选用高透明度、低功函数和导电性的PNDIT-F3N作为顶部接触电极，与超薄金膜组成双层接触，表现出高透明度和电导率（图2f, g）。此外，PNDIT-F3N引起金的功函数上移，形成所需的空穴注入势垒（图2h）。这种改进实现了高效的小型光谱仪所需的可调谐光谱响应。
图2：有源层和顶部透明接触的优化。
光响应的表征
作者研究了光学隔片集成PM-OPD在不同波长照明下的J-V曲线（图3a），采用脉冲I-V扫描模式防止电荷捕获或自热效应引起的伪影。测量显示偏置应力效应可忽略，与离子迁移光谱响应调谐的钙钛矿器件相比，这是重要优势。不同波长的J-V曲线在特定电压下相交（图3a），如500和550 nm在11V相交，显示偏压调节关系。低正偏压下，500 nm光电子促进隧道空穴注入，而550 nm光电子主要被捕获在体中（图3d）。随着偏压增加，550 nm照明感应电子向接触区域跳跃，使500 nm的EQE和光电流超过550 nm（图3d）。EQE光谱的偏置相关性得到验证（图3e）。设备的光电检测性能指标显示出色的线性度和100 dB的LDR（图3f）。带宽在±5和±10V下约为100 kHz，在±15V下约为60 kHz（图3h），噪声电流密度表现出频率相关的1/f噪声特性（图3i）。这些特性使得该设备非常适合小型光谱仪应用。
图3：光响应的表征
频谱重建演示
通过校准的响应度矩阵 R(V, λ) 和重建算法，作者演示了光学间隔件集成 PM-OPD 的光谱仪功能。重建了各种入射光谱以展示光谱仪的性能（图 4）。在第一组演示中，测试了覆盖整个可见光谱范围的准单色光（图 4a-c），准确定位峰值波长，即使相邻峰值接近 4 nm，峰值信噪比（PSNR）保持在 30 dB 以上。瑞利准则下估计的光谱分辨率约为 5 nm（图 4c），这是小型光谱仪的最高分辨率之一。此外，测试了复杂的宽带光谱，包括不同滤光片的氙弧灯（图 4d, e）和白光发光二极管（图 4f），结果显示重建光谱与实际情况非常匹配，保留所有光谱特征。宽带光谱的PSNR值略低于准单色光，这是由于用单色光校准响应度矩阵R。我们的光谱仪在噪声水平低于 5% 时表现出良好的抗扰性（补充图 10）。重建光谱中峰值更加突出（图 4e），可能是由于算法倾向于输出稀疏数据向量，未来可通过神经网络算法优化频谱重建性能。
图4：频谱重建演示
光谱应用和高光谱成像
此光谱装置结合了尺寸小型化和大面积制造工艺，可直接印刷在便携式电子产品（如智能手机）上，用作单点光谱仪或用于高光谱成像的焦平面阵列。首先，作者演示了其在食品质量和安全评估中的应用，检测了四种橙汁样品的吸收光谱，区分了天然果汁和含色素的软饮料（图 5c, d）。此外，作者展示了8×8微型光谱仪阵列在3×3 mm²区域内制作的高光谱成像系统，阵列表现出优异的均匀性和再现性（图5e-g）。利用该阵列，作者在无机械扫描的情况下记录了带有半透明彩色字母“CUHK”的高光谱图像（图5h, i），并通过六个有代表性的波长通道展示了不同颜色字母的强度映射（图5j）。最终，将强度数据立方体 P(x, y, λ) 转换为RGB图像，准确再现了原始颜色（图5k）。这验证了PM-OPD光谱仪阵列在无空间扫描的高光谱成像中的能力，提供了经济高效的系统小型化解决方案。
图5：光谱应用和高光谱成像的演示
小结
本文报告了一种用于小型光谱仪的可扩展且低成本的解决方案。该PM-OPD通过使用集成光学垫片，利用空间限制和偏置控制光载流子的重新分布，获得了可调光谱响应。双层顶部接触具有高透明度和低功函数，适合垂直集成。通过将这些接触与有机三元有源层和背对背肖特基二极管设计结合，作者实现了有源层内光载流子分布的偏置可调和波长敏感调制。这使PM-OPD具有良好的光谱分辨率、宽LDR、快速响应速度和低噪声。当与重建算法结合时，设备在整个可见光谱范围内表现出亚5 nm的分辨率，无需额外光学或机械组件，且占地仅0.0004 cm²。如此紧凑的结构能够扩大制造规模，生产光谱仪阵列并演示无空间扫描的高光谱成像
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