柔性胶体量子点光电二极管阵列，实现像素级X射线到近红外波段的图像融合
2023-09-10 14:13:51 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究提出了一种通过低温方法制造的柔性硫化铅胶体量子点（PbS CQD）光电二极管阵列，该阵列具有从X射线到近红外（NIR）波段的超宽带响应范围。该光电二极管的结构和厚度经过精心设计，可减少通过界面缺陷的载流子复合，并改善耗尽区的载流子产生。
将来自多光谱图像的信息组合成融合图像，不仅可以提供丰富的信息，而且有助于人类或机器感知。目前主要的解决方案是使用多种不同响应波段的光电探测器，但这需要利用复杂的算法和系统来解决像素与位置的失配问题。一个理想的解决方案是像素级多光谱图像融合，这项技术利用了相同光电探测器的多光谱图像，从而避免了失配问题。
据麦姆斯咨询报道，近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心的科研团队在Nature Communications期刊上发表了以“Flexible and broadband colloidal quantum dots photodiode array for pixel-level X-ray to near-infrared image fusion”为主题的论文。该论文第一作者为Jing Liu，通讯作者为唐江教授和高亮副教授。
这项研究提出了一种通过低温方法制造的柔性硫化铅胶体量子点（PbS CQD）光电二极管阵列，该阵列具有从X射线到近红外（NIR）波段的超宽带响应范围。该光电二极管的结构和厚度经过精心设计，可减少通过界面缺陷的载流子复合，并改善耗尽区的载流子产生。随后，研究人员进一步展示了利用该PbS CQD光电二极管阵列对胶囊进行的无损检测，这表明了利用该单个光电探测器在像素级X射线到红外波段图像融合方面的巨大潜力。
将X射线、可见光和红外图像融合为一幅图像，可以有效且全面地构建完整的医学图谱，传统方法是使用X射线、可见光、红外光三种光电探测器单独探测，然后利用视觉算法实现图像融合（如图1a）。然而，目前鲜少有关于单个柔性光电探测器能够捕获X射线、可见光和红外图像来实现图像融合的研究报道（如图1b）。本研究提出的PbS CQD宽带光电探测器的工作原理如图1c所示，其中PbS CQD薄膜通过光电效应将X射线以及紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光子的能量传递给电子-空穴对，从而实现探测。
图1 像素级X射线至红外波段的图像融合及工作机理
图2a展示了以聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）作为柔性衬底和含有一个PIN异质结的单个光电二极管的结构。图2b为光电二极管的截面扫描电镜（SEM）图像，显示了ITO/NiOx/PbS CQD/C60/ZnO/Al层堆叠良好。该柔性PbS CQD光电二极管的电流密度电压（J-V）曲线如图2d所示。最终结果显示，该器件同时具有高比探测率（D*）、大线性动态范围（LDR）和快速响应速率的优点，显示出最先进的综合性能。
图2 紫外-可见-近红外光照射下PbS CQD光电二极管的器件性能
柔性X射线探测器对于牙科检查非常有用，因为它们可以提供更好的图像质量并减少X射线曝光。正如预期的那样，该柔性PbS CQD光电二极管具有灵敏的X射线探测性能，测试结果如图3所示。
图3 柔性PbS CQD光电二极管在X射线照射下的性能
最后，研究人员制备了柔性PbS CQD光电二极管阵列，以展示其在X射线、可见光和近红外照射下的成像应用。图4a为透射模式下的成像过程示意图：光源包含X射线、可见光和红外光，成像对象为胶囊，探测器为柔性PbS CQD光电二极管阵列。
图4 柔性PbS CQD光电二极管阵列的图像融合
综上所述，该研究制备了一种具有从X射线到近红外波段的超宽带响应范围的柔性PbS CQD光电二极管阵列。在可见光和红外光照射下，该器件表现出较高的响应度（0.38 A/W）和外部量子效率（EQE，76.6%）、低暗电流密度（50.9 nA/cm²）、大LDR（>85 dB）、高探测率（1.01 × 10¹² Jones）以及高达-3 dB带宽（32 kHz）。此外，该器件在大曲率（30°-60°）弯曲200次后还能表现出良好的柔性，性能几乎没有下降。最后，研究人员将该PbS CQD光电二极管阵列应用于X射线、可见光和近红外波段的像素级图像融合。融合图像可以直接从不同波段的图像中收集到更全面的信息，成像过程不存在像素失配，也无需进行复杂的成像处理。研究结果表明，该柔性PbS CQD光电二极管阵列是一种实现X射线、可见光和近红外波段的像素级图像融合的简单且有效的解决方案，在柔性电子领域具有广阔的应用前景。
这项研究获得了国家重点研发计划（2021YFA0715502）、国家自然科学基金（No. 62204091）、湖北省重点研发计划（2021BAA014）、湖北省国际科技合作项目（2021EHB010）、浙江省自然科学基金探索项目（No. LY23F040005）、湖北省自然科学基金创新研究群体基金（No. 2020CFA034）、温州市科研项目（G20210013）、深圳市科技创新委员会基金（No. GJHZ20210705142540010）、中国博士后科学基金（2021M691118、2022M711237）和光谷实验室创新项目（OVL2021BG009、OVL2023ZD002）的资助和支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40620-3
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