Near-UV Single-Pixel Imaging with All-Inorganic Lead-Free Perovskite

技术摘要：基于全无机无铅钙钛矿的近紫外单像素成像

问题陈述
紫外（UV）及近紫外成像对于环境监测、材料检测和光学安全至关重要。然而，传统的紫外成像依赖于密集的焦平面像素化探测器阵列，这需要复杂的制造工艺和读取电路。这些挑战在紫外波段尤为突出，因为材料必须同时具备强短波吸收、低暗电流、快速时间响应以及运行稳定性。虽然单像素成像（SPI）通过用单个光敏元件取代像素化阵列提供了一种计算替代方案，但其性能严格受限于探测器的时间响应速度。此外，尽管溶液法制备的金属卤化物钙钛矿极具前景，但含铅组分的毒性仍然是实际部署的主要障碍。目前缺乏将无铅钙钛矿集成到计算成像系统中的成功演示，因为大多数评估仍局限于孤立的器件指标。

方法论
作者报道了一种用于制造作为近紫外光活性通道的低维、无铅 $K_2CuBr_3$ 薄膜的一步法制备工艺。

• 材料合成： 团队利用以二甲基亚砜（DMSO）为主要溶剂的溶液法进行处理。通过系统的反溶剂工程优化薄膜形貌。在测试的多种反溶剂（氯仿、MeOAc、乙醇、IPA、甲苯）中，由于氯仿具有非配位性质、高挥发性和快速提取 DMSO 的能力，能够诱导过饱和与成核，因此被确定为最优选择。研究确定了 200 µL 氯仿的最佳体积，以产生具有最佳晶粒尺寸的均匀薄膜，避免了因体积过大导致的聚集。
• 器件制造： 将 $K_2CuBr_3$ 薄膜集成到使用铂指状电极的平面光电导器件中。
• 表征： 通过 X 射线衍射（XRD）、能量色散 X 射线光谱（EDX）、X 射线光电子能谱（XPS）和热重分析（TGA）对结构和材料特性进行分析。利用光致发光（PL）、光致发光激发（PLE）、紫外-可见吸收光谱和紫外光电子能谱（UPS）评估光学性质。
• SPI 系统集成： 将光电探测器集成到 SPI 设置中，其中 405 nm 光源通过数字微镜器件（DMD）进行空间调制，将结构化照明图案投影到物体掩模（字母“E”）上。透射光被聚焦到 $K_2CuBr_3$ 探测器上，通过将集成的光电流信号与已知图案相关联来重建图像。

关键结果

• 材料特性： 制备的 $K_2CuBr_3$ 薄膜表现出由 $[CuBr_3]^{2-}$ 链和 $K^+$ 阳离子组成的 1D 晶体结构。XRD 证实其为斜方相（空间群 Pnma），XPS 验证了 $K^+$ 和单价 $Cu^+$ 的存在，并伴有轻微的表面氧化。薄膜表现出优异的热稳定性（在 450 °C 以下无明显质量损失）和强量子局限效应，在 342 nm UV 激发下表现出明亮的蓝光发射（PL 峰值在 380 nm）。直接带隙估计为 2.93 eV，UPS 测量表明其具有 p 型特征，费米能级靠近价带。
• 光电探测器性能： 在 405 nm 光照下，器件在宽辐照范围（0.2 至 200 W/cm²）内表现出稳定的光开关特性。
  • 响应速度： 器件的上升时间为 38.82 µs，恢复（下降）时间为 61.94 µs。这些时间足以支持 10 kHz 的结构化照明序列（模式持续时间 100 µs）。
  • 暗电流： 器件显示出数量级为 $10^{-10}$ A 的低暗电流，表明其具有低电噪声。
  • ON/OFF 比： 该比例随入射功率线性增加，在 1 mW 时达到约 $10^3$。
  • 响应度： 在测量的功率范围内，光电探测器保持了高于 $3.8 \times 10^{-3}$ A W$^{-1}$ 的响应度。
• 成像性能： 在 SPI 配置中，系统成功重建了字母“E”的近紫外图像。随着照明辐照度从 0.2 增加到 200 W/cm²，信噪比（SNR）从 16.4 dB 提高到 31.7 dB，从而实现了更高的图像对比度和重建保真度。

意义与主张
本文声称成功演示了无铅 $K_2CuBr_3$ 薄膜的一步法制备及其在功能性单像素成像系统中的集成。该工作强调，溶液法制备的全无机铜卤化物可以作为紧凑型紫外计算成像的高效、无毒且低成本的光活性材料。通过实现快速响应时间和低暗电流，本研究解决了 SPI 探测器的时间限制问题，同时克服了与铅基钙钛矿相关的毒性障碍。作者认为，这项工作为理解无铅铜卤化物在下一代紫外成像架构中的可行性提供了见解。