（来源：计算机视觉研究院）
计算机视觉研究院
公众号ID｜计算机视觉研究院
学习群｜扫码在主页获取加入方式
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12815914/pdf/41377_2025_Article_2127.pdf
计算机视觉研究院专栏
Column of Computer Vision Institute
本文首次实现了锡铅钙钛矿与 CMOS 读出电路单片集成的 640×512 分辨率近红外成像芯片。团队通过创新的 Sn (SCN)₂无机分子表面钝化策略，一举解决了锡铅钙钛矿 Sn²⁺易氧化、暗电流高的行业痛点，器件峰值探测率达到 1.6×10¹³ Jones，比肩商用 InGaAs 光电二极管，为低成本、高性能近红外成像开辟了全新路径。
PART/1
行业痛点
近红外探测是安防安检、物质识别、机器视觉、自动驾驶等领域的核心技术。传统 InGaAs 探测器依赖昂贵的 III-V 族半导体工艺，成本居高不下；而新兴的有机半导体、量子点探测器在近红外波段外量子效率普遍低于 60%，难以满足高性能成像需求。
锡铅混合钙钛矿凭借带隙可调、吸收系数高、可低温溶液加工的优势，被视为近红外探测的理想材料，吸收截止边可延伸至 1000nm。但长期以来，Sn²⁺极易氧化为 Sn⁴⁺，产生大量锡空位与非预期 p 型掺杂，导致器件暗电流飙升、探测率低下，始终无法落地实用化成像芯片。更棘手的是，钙钛矿上界面缺陷密度比体相高出三个数量级，成为制约性能的核心瓶颈。
PART/2
创新
针对这一难题，团队跳出传统 “前驱体掺杂” 的思路，提出了全新的无机分子表面钝化方案 —— 采用 Sn (SCN)₂对锡铅钙钛矿薄膜上界面进行后处理，精准解决表面氧化与缺陷问题。
理论计算与实验表征共同验证了该机制的三重作用：
：Sn (SCN)₂中的 Sn²⁺可通过配位键精准填补钙钛矿表面的锡空位，吸附能达 - 1.25eV，有效钝化表面缺陷态；
：分子晶体的空间位阻效应阻碍了 Sn⁴⁺氧化产物生成，表面 Sn⁴⁺占比从 34.71% 大幅降至 13.01%；
：表面费米能级抬升，近表面电子浓度提升近 7 倍，大幅削弱了 p 型自掺杂效应。
【钝化前后钙钛矿薄膜形貌与缺陷表征图，包含 SEM 形貌、AFM 粗糙度、KPFM 表面电位、PL/TRPL 寿命、DLCP 缺陷深度分布】
钝化后的薄膜晶粒边界空隙被有效填充，表面粗糙度从 51.7nm 降至 42.8nm，表面电位分布更均匀；载流子寿命从 125ns 提升至 461ns，上界面缺陷密度直降两个数量级，非辐射复合被显著抑制。
PART/3
器件性能
器件性能：暗电流降 6 倍，探测率追平商用 InGaAs
基于该钝化策略，团队制备了结构为 ITO/PEDOT:PSS / 锡铅钙钛矿 / C₆₀/BCP/Ag 的光电探测器，核心性能实现全面跃升：
【锡铅钙钛矿光电探测器性能汇总图，包含 J-V 曲线、LDR、瞬态响应、带宽、EQE、响应度、噪声电流、探测率对比】- 暗电流密度
：-0.1V 偏压下仅 10 nA/cm²，较对照组降低约 6 倍；
- 比探测率
：峰值达 1.6×10¹³ Jones，是对照组的 13 倍，与商用 InGaAs 光电二极管处于同一水平；
- 外量子效率
：940nm 处达到 76%，对应响应度 0.58 A/W；
- 响应速度
：上升 / 下降时间仅 0.48μs/0.34μs，-3dB 带宽达 97.2kHz，可稳定支持 30 帧 / 秒的常规成像；
- 线性动态范围
：自供电模式下达 147dB，媲美商用硅光电二极管。
同时器件稳定性显著提升：未封装器件在空气中连续工作超 1300 秒，光电流无明显衰减；65℃氮气存储后暗电流仅翻倍，远优于对照组 15 倍的涨幅。
值得注意的是，团队特意对比了 “前驱体掺杂” 与 “表面钝化” 两种方案：前者虽也能降低暗电流，但会阻碍载流子传输导致 EQE 下降；而表面钝化策略实现了暗电流抑制与高量子效率的兼得，这也是成像芯片得以成功制备的关键。
PART/4
全球首款
全球首款：640×512 近红外成像芯片落地
在单器件性能突破的基础上，团队将锡铅钙钛矿光电二极管直接逐层制备在 CMOS 读出电路上，实现了全球首款单片集成的锡铅钙钛矿近红外成像芯片。
【锡铅钙钛矿成像芯片结构、实物与成像性能图，包含芯片结构示意图、成像系统、芯片实物、像素均匀性、坏点统计、分辨率测试、动态范围测试、液体识别成像】
这款成像芯片核心参数达到商用级水准：
像素阵列 640×512，像素间距 15μm；
光响应非均匀性（PRNU）仅 3%，坏点率 0.01%，热点率 0.24%；
空间分辨率 MTF50 达 206.5 LW/PH，成像效果对标商用 InGaAs 成像芯片；
动态范围 58.2dB，可清晰分辨 36 级灰阶。
在应用演示中，团队利用该芯片实现了透明液体的精准识别：水、四氯乙烯、乙醇在可见光下均为无色透明，肉眼难以区分；但在 940nm 近红外成像下，三者灰度差异显著，可被快速辨别。这一能力展现了其在化学传感、生物医学成像、工业检测等场景的巨大应用潜力。
这项工作首次验证了锡铅钙钛矿与 CMOS 电路单片集成的可行性，打破了近红外成像芯片对昂贵 III-V 族半导体的依赖，为低成本、大面积近红外成像技术提供了全新的技术路线。随着材料稳定性与工艺的进一步优化，钙钛矿近红外成像芯片有望在消费电子、智能驾驶、安防检测等领域实现规模化应用。
有相关需求的你可以联系我们！
