近日，北京理工大学低维量子结构与器件工信部重点实验室科研团队通过非铅钙钛矿量子点膜和压缩感知高维解耦算法，成功研制了一种超越人眼分辨率和光谱范围的微型超光谱仪。

传统光谱仪一般由探测器（CCD或CMOS）与分光/滤光元件构成，分光/滤光元件的器件性能直接影响光谱分辨率和光谱范围。现阶段研究较多的分光元件主要有光子晶体阵列、等离子体阵列、光栅阵列、纳米线和量子点滤光片阵列。量子点光谱仪使用基于宽带滤光片的多光谱复用原理，具有光能利用率高和实时成像的优点。通过改变量子点的组分和尺寸可以对其吸收光谱进行精确调控，从而获得透过光谱连续可调的量子点滤光片。量子点滤光片阵列仅需要通过喷墨打印的方式即可获得，可降低生产成本，是获得低成本、高分辨率的微型超光谱仪的一种有效方式。

已有报道（Bao & Bawendi. Nature, 523, 2015.）的量子点光谱仪使用Cd系量子点作为光谱滤光片，在可见光范围（390–690 nm）可实现3.2 nm的光谱分辨率和的光谱测试。然而，光谱分辨率仍然无法与人类视觉相媲美，光谱分辨率尚有差距，且光谱响应范围也有待拓展。量子点光谱仪的光谱分辨率受到量子点光谱变化和算法鲁棒性的限制，光谱响应范围则主要由量子点带隙决定。此外，Cd系量子点滤光膜均需通过非原位制备的方法得到，繁琐的步骤导致较差的重复性，而Cd系量子点固有的本征荧光也会干扰光谱解析。因此，寻求简单制备的非发光量子点，成为推进量子点光谱仪进步的重要课题。

钙钛矿量子点具有优异的光电性能和易制备的特点，在显示、成像等多个领域表现出应用潜力。特别是基于原位制备技术的钙钛矿量子点光学膜在液晶显示中已经开始商业化应用。然而，钙钛矿量子点在量子点光谱仪中的应用还需要突破现有Pb系的限制，开发非发光和带隙连续可调的新钙钛矿量子点材料体系具有十分重要的意义。

本研究中，研究团队使用非铅钙钛矿(MA)₃Bi₂X₉和Cs₂SnX₆（MA = CH₃NH₃;X = Cl, Br, I）材料，通过原位制备策略，得到了透过光谱连续可调的非发光无铅钙钛矿量子点膜。如图1所示，量子点膜的透过率高达92%，相同配方重复6次所得量子点膜的透过光谱误差在1 nm以内。通过原位制备策略得到的非铅钙钛矿量子点膜具有透过率高和重复性好的优点。

图1 钙钛矿量子点膜的照片及透过光谱。（a, b）(MA)₃Bi₂X₉ /PAN和Cs₂SnX₆/PAN部分量子点膜的照片及透过光谱。（c）(MA)₃Bi₂Br₉/PAN和(MA)₃Bi₂I₉/PAN分别重复6次的透过光谱。PAN：聚合物基质聚丙烯腈。

通过将以上非铅钙钛矿量子点膜制备成19×19的滤光膜阵列，并与CCD集成，得到量子点光谱仪。研究人员结合基于压缩感知的高维解耦算法，对光谱仪的光谱重构效果和光谱分辨率进行了测试。如图2（d）所示，本工作得到的钙钛矿量子点光谱仪可以重构250-1000 nm范围内的光谱，且平均分辨率达到1.6 nm，在光谱范围和光谱分辨率方面均优于人眼。

图2 基于钙钛矿量子点滤光膜的超光谱仪。（a）量子点超光谱仪的结构示意图；（b）19×19量子点滤光膜阵列的照片，包括361种量子点滤光膜，阵列尺寸为7×7 cm；（c）光谱仪对标准X-Rite色卡的重建结果。GD表示标准光谱，RE表示重建光谱，右下图为重构误差；（d）光谱仪的校准光谱分辨率与人眼视觉曲线的对比。光谱测试范围为250-1000 nm。

该研究成果以“Broadband perovskite quantum dot spectrometer beyond human visual resolution”为题，于4月29日发表在Light: Science & Application上。

该论文通讯作者为北京理工大学钟海政教授和边丽蘅副研究员，第一作者为硕士研究生朱晓秀。该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校基础研究经费的资助和支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-020-0301-4