1 工作简介

         ——基于电调谐有机探测器的微型光谱成像阵列

光谱分析技术作为物质成分识别的“火眼金睛”，在材料表征、医疗诊断及环境监测等领域发挥着至关重要的作用。然而，将高性能光谱分析能力集成到便携式或可穿戴设备中始终面临巨大挑战：传统台式设备依赖复杂的分光光学元件，体积庞大；而现有的微型化方案往往需要在光谱分辨率、光能利用率与器件尺寸之间进行艰难的权衡，难以在亚毫米级的极致尺寸下实现高精度的光谱还原。此外，基于光子晶体、超结构、二维异质结等技术的微型化光谱器件制作工艺较为复杂，存在难以大批量、低成本制造的局限。

为了应对这些困难，香港中文大学电子工程系赵铌教授带领的研究团队创新性地在有机光电探测器中引入微米级光学间隔层设计，利用简单的溶液加工工艺，首次研制出基于电调谐光谱响应的微型光谱仪。该器件利用背对背肖特基二极管结构和三元有机体异质结，构建了独特的“光场-电场”双重耦合机制，仅需通过调节偏置电压即可选择性地收集不同深度的光生载流子。结合计算重构算法，该器件在仅0.0004 cm²的极小单像素尺寸上，实现了全可见光波段（400-760 nm）优于5 nm的高分辨率光谱探测，其性能指标突破了传统微型光谱仪的物理限制。

图1. 微型光谱仪示意图。(a) 集成光学间隔层的倍增型有机光电探测器（PM-OPD）器件结构，及其作为计算重构型光谱仪的工作机理。(b–e) 常规（b、c）与集成光学间隔层（d、e）PM-OPD内部的模拟光场分布及吸收分布。(f) 阐释偏压调制效应的能带图。(g) 对应的电可调谐光谱响应示意图。

图2. 光谱重构展示。(a) 准单色光谱（带宽约3 nm）的重构结果及对应的峰值信噪比（PSNR）值。(b) 峰位间隔为4 nm的单峰光谱重构。插图显示了重构光谱峰值波长与真值（ground truth）的对应关系。(c) 峰位间距约5 nm的双峰光谱重构。(d–f) 宽带光谱重构，光源分别为加装不同滤光片的氙灯（d和e）以及白光发光二极管（f）。

此外，为了验证该技术在系统级应用中的潜力，团队进一步制备了8×8的光谱传感器阵列，并在无需任何机械扫描部件的情况下，实现了高色彩还原度的无透镜高光谱成像。在实际演示中，该微型光谱芯片成功用于区分鲜榨橙汁与含色素饮料，展现了其在食品安全领域的应用价值。该成果的发展不仅为构建低成本、高集成的片上光谱分析系统提供了全新的技术路径，还将为下一代智能系统（如具备光谱分析功能的智能手机、个人健康监测终端及机器视觉系统）开辟新的可能性，使消费级电子设备具备物质成分分析能力。

图3. 光谱分析应用及高光谱成像展示。(a,b) 微型光谱仪阵列的实物照片及结构示意图。(c,d) 四种橙汁样品（鲜榨汁、复原汁及软饮料）的实物对比及其经微型光谱仪测得的吸收光谱，(d)中黑色箭头标示了食用色素的特征吸收峰。(e,f) 高光谱成像测试系统示意图及待成像的彩色掩膜版。(g) 阵列采集的光谱-空间数据立方体，展示了不同波长通道的强度分布伪彩图。(h) 最终重构的RGB高光谱图像。

该工作以题为“A microsized optical spectrometer based on an organic photodetector with an electrically tunable spectral response”发表于国际著名期刊《Nature Electronics》上。香港中文大学赵铌教授为该论文通讯作者，香港中文大学博士生贺谐为第一作者。该工作得到了香港研究资助局General Research Fund及国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金的资助。

2 主要作者简介

第一作者

贺谐，2021年本科毕业于浙江大学，现为香港中文大学电子工程系博士研究生。

主要研究方向为有机光电子器件与光电探测技术。在Nature Electronics、Chemical Reviews、Science Advances等国际权威期刊发表学术论文6篇；获授权发明专利1项。

通讯作者

赵铌，香港中文大学电子工程系教授、博士生导师。

清华大学学士，加拿大麦克马斯特大学硕士，英国剑桥大学博士。曾任美国麻省理工学院（MIT）博士后研究员。目前担任英国皇家化学会会士（FRSC）、香港青年科学院院士、Science Advances期刊副主编。长期致力于光电子器件及面向生物医学应用的可穿戴传感器技术研究。迄今发表学术论文200余篇， H指数79。获得多项荣誉与奖励，包括2024年度香港研究资助局高级研究学者（RGC Senior Research Fellow）等，2018年及2025年科睿唯安全球高被引科学家等。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41928-024-01199-9