Nature Photonics！从可见到红外！这款量子点高光谱传感器，让 “看不见的物质” 现形

一、研究背景

高光谱成像可同步获取空间与光谱信息，在便携诊断、精准农业、环境监测、空间探测等领域关键刚需。传统高光谱系统依赖分光光学与机械扫描，体积大、成本高、成像慢。计算型光谱仪分为入射光调制型与探测器响应调制型：入射光调制需微纳光学，牺牲空间分辨率换光谱分辨率。探测器响应调制多为单/小面阵，双向偏压与死区问题导致信噪比与重构精度受限，难以做大面阵。因此亟需一种芯片级、大面阵、高空间/高光谱分辨率、宽谱、高信噪比的一体化高光谱成像方案。

北京理工大学唐鑫教授团队在Nature Photonics期刊上发表论文，并提出了一种新的解决思路。

二、研究亮点

1. 提出单极性偏压可重构能带对齐原理，连续调控光谱响应，消除双向偏压与光响应死区，全谱段保持高信噪比。

2. 在**15×15 μm2像素**内实现：1280×1024大面阵、1 nm光谱分辨率、0.055 nm重构精度、400–1700 nm宽谱、探测率>1013 jones。

3. 支持固定偏压成像+帧偏压高光谱重构双模式，可穿透雾霭、无损识别材料，适用于便携现场部署。

三、研究内容

1. 器件结构

图1：对比传统光谱仪、入射光调制、探测器响应调制三类方案的原理与局限，突出本文无光学元件、像素级自调制优势。

垂直堆叠大带隙/小带隙PbS量子点，中间插入p型掺杂层，与硅读出电路(ROIC)单片集成。低偏压激活顶层短波长通道；高偏压依次激活底层长波长通道，实现光谱叠加连续可调。

2. 工作原理

图2：系统工作流程（偏压调制→多帧采集→计算重构）；像素堆叠结构（量子点层+ROIC）；量子点吸收/荧光光谱。

施加单极性递增偏压，调控能带对齐，逐次激活不同深度量子点结，采集多帧电压编码图像。基于正则化最小二乘法（Tikhonov）重构单像素光谱，解出高光谱数据立方。

3. 性能验证

图3：能带图解释低偏压短波长、高偏压长波激活机制；不同电压下EQE、响应谱、电流–电压、探测率曲线。

图4：单峰/双峰/宽谱光的高精度重构结果；1 nm光谱分辨率验证；与国际顶尖计算光谱仪性能对比全面领先。

光谱：可分辨1 nm间距双峰，重构误差<0.055 nm。

成像：1280×1024分辨率，短波红外穿透成像，材料识别准确率高。

4. 应用演示

图5：高光谱成像时序与双模式工作；穿透成像、农产品检测、材料鉴别、溶剂分类等可视化伪彩结果。

雾天穿透成像、苹果轻微瘀伤检测、真假花分辨、棉/涤纶纺织品分类、有机溶剂（IPA/水/DDT/TCE）区分。

四、总结与展望

作者设计了一种基于堆叠胶体量子点（CQD）结的像素内可重构能带结构，通过施加一系列单极性递增偏压，在同一个像素内部逐步激活不同带隙量子点层的载流子收集，从而实现连续可编程的光谱响应调制。配合预标定的响应矩阵和重建算法，最终实现了一个兼具大面阵、高空间分辨率、宽光谱范围和高光谱分辨率的片上高光谱图像传感器。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41566-026-01860-z