近日，学院李澄教授、陈孟瑜副教授课题组在钙钛矿微型光谱仪领域取得突破，相关成果以“Precisely-Controlled Gradient-Bandgap Perovskite Photodiode Arrays Facilitate the Accurate Reconstruction of Complex Spectra for Color Decryption Applications”为题发表于国际光学领域高水平期刊ACS Photonics。该研究首次采用非均匀时间离子交换法制备了精确可控梯度带隙钙钛矿光电二极管阵列，发现探测器件的线性动态响应决定了其对复杂光谱的重构能力，并结合光谱重构算法实现了高精度的片上微型光谱仪，为溶液法制备的新型半导体光电探测器在微型光谱仪和信息加密领域的应用提供了新途径。
传统微型光谱仪通常依赖光栅、滤光片或大量窄带探测器进行光谱分辨，存在器件结构复杂、体积较大、成本较高以及难以实现高集成度等问题。钙钛矿凭借高吸收系数、带隙可调和低成本制备等优势，成为新一代光电探测器的重要研究方向。近年来，一系列研究基于离子交换制备的梯度带隙钙钛矿验证了钙钛矿片上集成算法重构光谱仪的可行性，然而，精确实现可控的梯度带隙仍存在困难。此外，虽然光电导（PC）和光电二极管（PD）两种结构均被用作光电探测器单元以实现微型光谱仪，但这两种器件结构对光谱重构性能的具体影响尚未得到系统研究。
针对上述难题，该研究团队采用非均匀时间离子交换法制备了具有均匀梯度带隙分布的MAPbBrxI3-x薄膜，并建立了离子交换时间与带隙之间的精确数值拟合关系。研究团队发展了全液相梯度带隙半导体制备策略，实现了钙钛矿组分沿阵列方向的连续可控变化。进一步地，对PD型和PC型光谱仪进行了系统比较，揭示了线性动态范围（LDR）对光谱重构精度具有决定性影响，尤其是对复杂多峰光源的光谱重构中更为显著。得益于具有精确梯度带隙分布的PD阵列，该研究在尺寸小于1 cm2的薄片上仅用12个探测单元实现了全可见光波段分辨率高达5 nm的自供电微型光谱仪。此外，研究团队还展示了一种基于该微型光谱仪的创新性色彩加密与解密应用，证明其能够准确辨别复杂光谱中细微的颜色差异，展现其在化学成分检测、信息加密等领域的应用前景。
图1 带隙梯度精确可控的钙钛矿
（MAPbBrxI3-x）光电二极管阵列
实现复杂光谱准确重构用于色彩解码
图2 光电导（PC）和光电二极管（PD）型
光电探测器光谱重构原理及结果对比
上述工作由厦门大学、厦门市未来显示技术研究院张荣院士团队完成，论文的共同通讯作者为电子科学与技术学院李澄教授和陈孟瑜副教授。该工作的开展得到了物理学院黄凯教授的支持。该工作得到了国家重点研发计划 (2023YFB3611203)、福建省自然科学基金 (2024J01055，2025J02005)的资助。
