Previous slide
Next slide

Sci. Adv.:利用仿生光電二極體堆疊和鈣鈦礦下轉換在紫外線下的CMOS光譜成像

重點摘要

最近,由伊利諾伊大學香檳分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的 Viktor Gruev 和 Shuming Nie 領導的研究團隊發表了一項研究。

  • 仿生UV感測器結合鈣鈦礦納米晶體和垂直堆疊矽光二極體
  • 模仿大鳳蝶(Papilio xuthus)眼睛的分層光受器結構
  • 實現具有高空間和時間分辨率的波長解析UV成像
  • 同時檢測UVB誘導的螢光和直接UVA吸收
  • 通過自螢光區分癌細胞和正常細胞
  • 潛在應用於醫學成像、軍事追蹤、需要增強UV光譜識別的自動化領域

研究背景

像大鳳蝶(Papilio xuthus)這樣的蝴蝶擁有專門的視覺系統,能夠感知比人類更廣泛的色彩和紫外線(UV)光線。它們的眼睛單元稱為小眼,包含具有不同光譜敏感性的光受器,呈分層結構。約三分之一的小眼含有UV螢光色素,可以吸收UV光並發出螢光,被底層的光二極體檢測到,使得蝴蝶能夠區分微小的UV光譜變化。然而,由於矽的快速吸收UV光,矽影像傳感器在UV敏感性方面存在限制。在這裡,我們提出了一種仿生成像感測器,該感測器結合了一層鈣鈦礦納米晶體和垂直堆疊的矽光二極體,以模擬大鳳蝶的UV檢測機制。納米晶體吸收UV光,發出螢光,被光二極體檢測到,而頂部的光二極體直接檢測剩餘的UV光。這使得能夠進行波長解析的UV成像,可應用於醫學診斷等領域。

研究成果

  • 仿生感測器受到大鳳蝶的UV敏感視覺系統啟發,利用分層光受器結構和螢光色素來檢測和區分UV波長。
  • 該感測器將垂直堆疊的矽光二極體與一層鈣鈦礦(CsPbBr3)納米晶體(PNCs)結合,作為降頻層。
  • 通過兩種機制檢測UV光子 – 頂部光二極體直接吸收,以及PNC層吸收後發出可被底層光二極體檢測到的可見螢光,從而實現光譜區分。
  • 將PNC層厚度優化至2μm,在300-400nm的UV範圍內實現最大化的光譜區分。
  • 通過自螢光成像,該感測器表現出對芳香族氨基酸和癌細胞/正常細胞UV特徵的99%區分度。
  • 展示了用於生物醫學應用(如腫瘤邊緣檢測)的實時、高分辨率、波長解析的UV成像的關鍵能力。

研究方法

  • 仿生成像感測器將一層鈣鈦礦納米晶體(PNCs)與垂直堆疊的矽光二極體結合。
  • PNCs吸收UVB光(>250nm)並發出綠色螢光,被光二極體檢測到。頂部光二極體直接檢測剩餘的UVA光(>300nm)。
  • 通過模擬優化PNC層厚度,以最大化UV光譜區分。最佳厚度為2微米。
  • 該感測器採用標準CMOS製程製作。PNCs通過合成並旋塗在成像感測器上。

結論

本文提出了一種新型的仿生成像CMOS感測器,用於UV光譜成像。該感測器獨特地將鈣鈦礦納米晶體與垂直堆疊的矽光二極體結合,實現了對UV特徵的實時、高分辨率、波長解析的區分。這克服了矽探測器在UV敏感性方面的限制。對納米晶體層的優化使得能夠對癌細胞和正常細胞的自螢光譜進行99%的區分。這種光譜生物成像的能力在醫學診斷、工業感測和自動化等領域有著多樣的應用。整體而言,這項工作展示了通過仿生光子設計來增強CMOS成像器對UV檢測的途徑,為光譜成像開啟了新的可能性。

檢測與分析光電器件(探測器或光伏器件)的光電轉換過程具有重要意義。光焱科技針對光電感測器,提供先進、客製化的測量解決方案。我們產品資訊如下:

APD-QE 先進光感測器量子效率光學儀

  • 使用「照度模式」量測
  • 獨家定光子數控制功能
  • 針對微米級光電偵測器量測設計
  • 搭配多種探針台及客製化載台
  • 一鍵式全光譜校正與智慧量測
  • 波長範圍由300nm開始,可擴充至3000nm

歡迎聯繫了解更多!

關鍵字:CMOS, photodiode

原文連結