物理学进展

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回音壁激光的单模式调控方法研究进展

刘硕, 王宇琛, 王秀华, 侯睿

物理学进展 2023, 43 (4): 117-130. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.04.002

摘要（859）

PDF （483KB）（3168）

回音壁模式微腔因模式体积小、超高 Q 值和低阈值的优点得到了广泛的关注，但是在旋转对称的回音壁微腔中会产生多纵模激光辐射，并且辐射的方向性较差，在实际应用中受到限制，寻求有效方法实现回音壁激光的单模辐射是微腔激光器走向实际应用的关键问题。本综述重点阐述了近年来回音壁激光单模调控的几种方法，包括减小腔体尺寸、外加选模结构、基于游标效应、基于宇称时间对称性破缺、变形微腔等，并对单模回音壁激光的发展前景进行了展望。通过本综述以期为相关领域研究人员提供参考，深入理解回音壁激光单模调控的物理机理。

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卤化物钙钛矿单晶及光电探测器：研究进展和挑战

孙悦, 黄小芮, 贺圣荣, 邢军

物理学进展 2024, 44 (5): 209-242. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.05.001

摘要（1585）

PDF （15745KB）（1561）

近年来，由于金属卤化物钙钛矿材料展现出了优异的光学和电学特性 (如高吸收系数、长载流子扩散长度、小激子结合能、高缺陷容限、可调带隙等性质)，以及其具有低成本的溶液制备工艺，使其在光探测、光电转换和光发射等领域取得了巨大的科研进展。与钙钛矿多晶薄膜相比，钙钛矿单晶具有更长的载流子寿命、更高的载流子迁移率、更长的扩散长度、更低的陷阱密度等优势，从而促进了近十几年来钙钛矿单晶制备和优化的相关研究，并将高质量卤化物钙钛矿单晶广泛应用在光探测等重要应用领域。在这篇综述中，我们聚焦基于不同形式、不同化学组分卤化物钙钛矿单晶 (包括单晶块体和单晶薄膜) 的光电探测器技术领域的最新进展，首先系统综述了卤化物钙钛矿单晶的制备和优化进展，重点关注了三元阳离子杂化钙钛矿单晶的最新进展，然后全面介绍了基于钙钛矿单晶的各类型光电探测器研究现状，最后总结了卤化物钙钛矿单晶光电探测器研究领域目前面临的挑战并进行了展望，有望推动该领域的快速进步和发展。

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金属卤化物钙钛矿半导体中的自陷激子

张清凯, 王宇箫, 张春峰

物理学进展 2023, 43 (6): 161-177. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.06.001

摘要（1258）

PDF （9908KB）（1414）

在极性晶体中，由于强电子–声子耦合，激发的电子–空穴对可以被晶格畸变产生的形变势场所俘获，形成自陷激子。金属卤化物钙钛矿半导体作为一种离子晶体已经被证实具有高效的自陷激子发光，成为制备新一代高质量白光光源的理想候选材料。然而，对于金属卤化物钙钛矿中自陷激子发光机制的理解仍然较为匮乏，远远落后于器件方面的发展。为此，本文主要从自陷激子的基础物理角度出发，总结了近年来关于金属卤化物钙钛矿半导体中自陷激子的形成条件、形成机制以及相关激发态动力学的研究进展，并对未来基于该体系中自陷激子机理方面的研究做出展望，从而为该体系中自陷激子的研究提供更加清晰的物理图像。

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二维过渡金属硫族化合物的环境稳定性

周振佳, 徐洁, 高力波

物理学进展 2023, 43 (4): 97-116. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.04.001

摘要（1067）

PDF （837KB）（1236）

二维过渡金属硫族化合物具有独特、优异的电学和力学性能，已被广泛应用于基础研究以及电子、自旋电子、光电子、能量收集捕获和催化等领域当中。然而，二维过渡金属硫族化合物在苛刻的条件下不稳定，并且在环境中极易降解，这限制了其在大多数领域的应用。在本篇综述中，我们总结了二维过渡金属硫族化合物环境稳定性研究的最新进展，包括最新的生长方法、稳定性的基本机制以及保护二维过渡金属硫族化合物材料免受老化和性能衰退的方法。通过从生长过程中分析影响二维过渡金属硫族化合物稳定性的关键因素，我们对优化生长方法以提高其稳定性进行了回顾。最后，我们展望了生长稳定二维过渡金属硫族化合物的指导方法，这也为制备、设计其他先进功能材料以及相应异质结结构带来可能。

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卤化物钙钛矿金属位铋离子掺杂的调控研究进展

黄小芮, 孙悦, 贺圣荣, 邢军

物理学进展 2024, 44 (2): 73-95. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.02.002

摘要（979）

PDF （8816KB）（1220）

高性能金属卤化物钙钛矿太阳能电池目前正从实验室研发向工业生产转型，并在未来全球能源领域展示了其不可估量的应用价值。为了实现高性能的金属卤化物钙钛矿太阳能电池，钙钛矿材料作为有源工作层，其性能的提高和优化过程经过了十几年，并已取得巨大的进步。本文以高性能卤化物钙钛矿中金属位铋离子掺杂的调制研究为重点，系统总结了卤化物钙钛矿薄膜的发展和常规制备工艺。研究表明，三元阳离子钙钛矿可以抑制黄相的形成、改变晶粒尺寸、提高稳定性等特点，成为未来高性能钙钛矿光电器件的首选。文章还对铋离子 (Bi3+) 掺杂钙钛矿体系进行了讨论，研究发现 Bi3+ 的特殊电子结构和无毒化学性质，不仅能够提高钙钛矿的稳定性，还能灵活调控钙钛矿的光电性能，从而实现铋离子掺杂的高性能钙钛矿太阳能电池。结合目前卤化物钙钛矿太阳能电池的研究现状，我们可以预见在未来的器件优化过程中，可以将铋离子掺杂策略与三元混合阳离子钙钛矿相互结合。最后，我们展望了实现高性能金属卤化物钙钛矿太阳能电池的几个潜在研究方向。

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一维自旋轨道耦合费米气体的研究进展

蔡启鹏, 张伟伟, 林良伟, 许益广, 陈紫轩, 王小生, 于海鹏, 方小红, 张义财, 刘超飞

物理学进展 2024, 44 (4): 157-182. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.04.001

摘要（610）

PDF （3164KB）（1136）

在超冷费米气体中，通过调节自旋轨道耦合的强度，使其与费米能量相当，可以产生许多新奇的量子效应。在过去几十年里，学者对于一维自旋轨道耦合诱导的费米气体进行了大量的理论和实验研究。与高维自旋轨道耦合相比，一维自旋轨道耦合虽然显得比较简单，但它是实验上探索基本量子物理现象的最可靠和最易行的工具。本文系统地整理了理论工作中一维自旋轨道耦合下费米气体的有趣物理现象。包括动力学振荡和孤子效应、拓扑超流、Majorana 边缘态、铁磁相变和量子相位方面的理论研究。在实验中，如何实现自旋轨道耦合并且观测奇异现象，是研究的热点和难点问题。我们梳理了几种常见的实验方案和检测方法，最后对一维自旋轨道耦合诱导下费米气体方面的研究进行展望。一维自旋轨道耦合可以为初学者提供借鉴，有助于研究自旋轨道耦合调控的多体系统。本文期望为冷原子物理初学者深入理解自旋轨道耦合下多体系统的物理机制提供参考。

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钙钛矿太阳能电池的稳定性因素及封装提升性能

戴加祺, 章东, 吴小山

物理学进展 2024, 44 (1): 19-48. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.01.003

摘要（2085）

PDF （5083KB）（1089）

钙钛矿太阳能电池作为第三代新概念太阳能电池，具有光电转换效率高、成本低和加工灵活等优点，近年来发展迅速，虽然其光电转换效率逐渐可与硅电池相媲美，已接近工业应用水平，但钙钛矿太阳能电池工业应用核心问题是其稳定性。如何使钙钛矿太阳能电池长期保持高效率是研究人员需要解决的最大问题。目前，封装作为解决钙钛矿太阳能电池外部稳定性问题的手段之一已经被广泛研究，良好的封装不仅可以解决器件的稳定性问题，还可以保证器件的安全性，延长使用寿命。本文简要介绍了影响钙钛矿太阳能电池稳定性的因素及稳定性测试的条件。最后介绍了钙钛矿太阳能电池的不同封装结构、封装工艺和封装材料对封装性能的影响。随着封装研究的不断深入，研究人员将不断优化和解决存在的问题，最终实现钙钛矿太阳能电池的大规模产业化应用。

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空间认知的吸引子动力学

王子群, 王涛, 刘锋

物理学进展 2023, 43 (6): 188-201. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.06.003

摘要（842）

PDF （3411KB）（1086）

哺乳动物的导航系统包含多种类型的神经元，负责位置感知和空间路径规划，涉及多信息整合。吸引子动力学理论作为一个能统一解释记忆、决策等复杂认知功能的脑理论，可以解释导航系统中神经元的特异性放电和路径整合机制。本文综述了空间认知领域吸引子动力学的最新研究进展。首先，概要介绍了计算神经科学和吸引子动力学的一般理论。接着，以哺乳动物导航系统的连续吸引子动力学为核心，深入探讨了头朝向细胞和网格细胞的放电动力学特征及其功能意义。在此基础上，对导航系统吸引子理论进行了拓展与展望。

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二维范德瓦耳斯反铁磁体系超快自旋动力学研究进展

李金阳, 武方亮, 张琦

物理学进展 2024, 44 (6): 293-308. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.06.003

摘要（856）

PDF （4771KB）（1076）

反铁磁体具有太赫兹频段的高速自旋响应和对外磁场的鲁棒性，被视为下一代高速、高密度自旋信息器件的潜在材料。近年来，二维范德瓦耳斯磁性系统因其丰富的反铁磁基态和多样的物性调控手段而备受关注，成为探索低维反铁磁物理的理想平台。在这些二维反铁磁体系中实现超快自旋动力学的探测与调控对于推动高速自旋电子器件的应用至关重要。由于反铁磁体在宏观尺度上不表现出净磁矩，常规磁光探测技术难以直接观测其平衡态下的性质。然而，在非平衡状态下，通过时间分辨磁光克尔效应可以探测到由自旋动力学产生的瞬时磁化，从而揭示反铁磁自旋的相干运动。此外，线偏振二向色性光谱、太赫兹发射谱和二次谐波产生等技术也被广泛应用于二维反铁磁体系的动力学研究。本文综述了近期关于二维范德瓦耳斯反铁磁体系中超快自旋动力学的重要实验进展，并介绍了其中涉及的相干磁振子激发机制，包括逆磁光效应/受激拉曼散射、轨道共振激发以及激子耦合。此外，还探讨了自旋–晶格耦合导致的反铁磁自旋动力学的临界变慢现象，以及这种耦合对相干剪切声子模式的放大。

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压电材料中表面声波的波速测量与调制

王任飞, 刘萧, 吴蒙蒙, 林熙, 刘阳

物理学进展 2024, 44 (3): 103-111. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.001

摘要（711）

PDF （4278KB）（930）

三维固体中除了存在人们熟知的体声波传播模式，还存在能量集中在二维界面的表面声波传播模式。我们利用砷化镓衬底的压电和逆压电效应，通过平面叉指实现了射频电磁波和表面声波之间的相互转化，并搭建超外差电路完成了在边长仅 4 mm 的样品上表面声波波速的测量，结果为 (2.9±0.1) km/s。我们还制作了基于压电陶瓷的单轴应力腔，可以对样品施加最大约为 10 ⁻⁴ 的单轴应变，并观测到了应变对表面声波波速的影响。我们还测量了重要半导体砷化镓在应力下的表面声波波速，演示了该波速测量技术原位探测固体内部力学性质的能力。基于平面叉指换能器的波速测量克服了传统的时差法和驻波法对样品宏观尺寸的要求。本文建立的超外差的测量方法代替了使用商用矢量网络分析仪测量表面声波波速，为以后推广到低功率输入、高相位稳定度的应用场景提供了可能。由于测量装置也可以被用于固体物理相关的前沿实验教学，工作提供了表面声波器件和自制应力腔的细节参数和制作过程。

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工作记忆的机制与建模方法

杨帆, 钱睿昕, 王涛

物理学进展 2024, 44 (5): 243-258. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.05.002

摘要（701）

PDF （2967KB）（920）

工作记忆是人类认知功能的重要组成部分，涉及在短时间内对信息的存储和加工。延迟响应实验是研究工作记忆的基本实验范式之一，通过在刺激信息与行为决策之间设置一段延迟期，人们可以探究工作记忆系统在延迟期间维持和操纵信息的神经机制。本文概述了延迟响应实验范式，介绍了作为工作记忆关键机制的吸引子动力学。文章系统介绍了两种常用的工作记忆网络分析方法：运动轨迹追踪法和势能景观与环流理论。最后，我们总结了两种动力学方法的特点，并对今后的工作记忆研究方向进行了展望。

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磷及磷化物高压结构与性能研究进展

黄叶铧, 郭振源, 李俊凯, 杨欣, 缑慧阳

物理学进展 2024, 44 (3): 123-135. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.003

摘要（662）

PDF （6131KB）（918）

磷作为第五主族非金属元素，具有独特的电子结构和优异的光、电、力学等特性，展现出广泛的应用前景。近年来，研究表明磷及磷化物具有极易受到外场影响和调控的特点, 且在高压条件下具有丰富的物理化学性质。此外，磷及磷化物的独特结构和电子性质使其具有许多不同于传统材料的物理特性。因此，利用高压在磷和磷化物中实现结构转变、超导转变，已然成为高压领域的研究热点。本文以黑磷、锗磷和砷磷等多种典型的磷和磷化物为例，概述了磷和磷化物在高压调控下的结构、电学、光学等方面的响应，讨论其结构与物理性质之间的构效关系，并对未来在高压下磷化物的研究进行展望。

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温稠密物质模拟的第一性原理方法进展

张航, 陈默涵

物理学进展 2024, 44 (2): 49-72. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.02.001

摘要（989）

PDF （2466KB）（848）

温稠密物质 (Warm Dense Matter, WDM) 是介于凝聚态物质和等离子体之间的一种过渡状态的物质，也是行星物理、实验室天体物理和惯性约束聚变等高能量密度物理领域的前沿科研方向。温稠密物质的量子效应显著，具有部分电离、强耦合、电子简并和热效应等重要的物理性质，因此需要采用量子力学的基础理论来描述。近年来，基于量子力学的第一性原理计算模拟方法发展迅速，逐渐成为了深入理解温稠密物质性质的有效工具。一方面，直接将凝聚态物理和材料科学中广泛适用的第一性原理方法应用于温稠密物质面临着巨大的挑战，特别是在宽温区和极端高压等极端条件下，需要不断改进现有的第一性原理算法和软件。另一方面，基于机器学习的分子动力学方法发展迅速，也给温稠密物质模拟带来了新的工具。在这篇综述中，我们首先回顾了适用于温稠密物质模拟的传统第一性原理方法，包括 Kohn-Sham 密度泛函理论方法和无轨道密度泛函理论方法。其次，我们介绍了近年来发展的新方法和软件，例如改进的第一性原理方法和随机密度泛函理论方法，后者已在国产开源密度泛函理论软件原子算筹 (ABACUS) 中实现。以上新方法可以显著提升温稠密物质的计算规模和效率，从而提升温稠密物质的结构、动力学和输运系数等性质的计算精度。

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单线态裂分中间态的理论研究进展

童磊, 张春峰

物理学进展 2024, 44 (3): 112-122. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.002

摘要（848）

PDF （1708KB）（767）

单线态裂分是指有机材料在光激发后，从一个单重态激子转变为两个三重态激子的光物理过程。该过程有望提高光电转换效率，因而受到了广泛的关注。研究发现单线态裂分中存在一个关键的中间态，而如何构建中间态的波函数则是重要的挑战。本文着重介绍了双激发态波函数构建的两类理论模型，而后讨论了振动、轨道和自旋相互作用对中间态形成和解离的影响。最后总结了进一步的理论研究将面临的挑战。

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Cr ₂O ₃ 中反铁磁自旋波的低频拉曼光谱研究

董彪, 崔骏, 田远哲, 吴镝, 张琦

物理学进展 2023, 43 (5): 142-150. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.05.002

摘要（1004）

PDF （4272KB）（756）

反铁磁自旋波在高速和低能耗信息处理方面具有很大潜力。然而，在反铁磁体系中激发和检测太赫兹自旋波是具有挑战性的。在本工作中，我们验证了低频拉曼光谱可作为探测反铁磁体系中自旋波的有力工具。我们通过拉曼光谱系统研究了典型的单轴反铁磁体 Cr ₂O ₃ 中的反铁磁自旋波，我们的测量范围低至 2.3 cm ⁻¹（69 GHz）。我们分析了自旋波的塞曼劈裂和自旋翻转相变。我们进一步通过偏振拉曼的方式确定了自旋波能支的角动量符号。我们还得到了 Cr ₂O ₃ 的各向异性能， g 因子和自旋翻转场随温度和磁场变化的函数关系。自旋波重整化理论解释了所有实验观测结果。

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二维多铁性材料及其磁电性质的研究进展

郑鸿倩 , 胡婷 , 黄呈熙 , 杜永平 , 万逸

物理学进展 2025, 45 (3): 105-. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.03.001

摘要（388）

PDF （9286KB）（708）

近年来，兼备铁磁性和铁电性的多铁性材料因展现出新颖且丰富的物理特性，以及在信息存储、传感技术等领域的广泛潜在应用，已吸引了众多研究者的密切关注。随着对多铁性材料性质理解的深化，研究者们开始致力于探索其在更小尺度上的行为表现，特别是针对二维材料的研究。相较于三维材料，二维材料凭借其独特的结构特征和显著的尺度效应，通常在力学、光学、热学及磁学性能上展现出更为优越的表现。然而，值得注意的是，当前关于二维多铁性材料的研究主要集中于理论预测层面，实验层面的进展相对滞后。鉴于此，本文首先简要回顾了多铁性材料的发展历程，随后详细阐述了二维材料的特性与优势，并对二维多铁性材料的潜在应用进行了讨论。接下来，本文综述了当前的研究现状，涵盖了相关的物理现象与机制、实验制备方法、性能调控技术以及表征手段等方面的内容。此外，本文还列举了理论预测中可能实现的二维多铁性材料，并在此基础上深入探讨了当前研究面临的挑战以及未来的发展方向。

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薄壁量子化方法进展

王永龙, 杜龙

物理学进展 2024, 44 (1): 9-18. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.01.002

摘要（614）

PDF （4146KB）（706）

微纳加工技术的快速发展实现了具有非平庸几何结构的低维材料与结构的制备，使得受几何性质影响的有效动力学问题受到关注。作为研究低维弯曲系统中量子力学的有效方法，薄壁量子化方法，它给出的几何势和几何动量也得到实验的证实。本文将回顾薄壁量子化方法，简述其基本计算框架，明确给出几何量子效应是来自于微分同胚变换和局域标架间的旋转变换。这对于理解引力规范场，演生规范场很有帮助，对理解人工规范场所隐含的几何结构也很有帮助。在特定的量子体系中，几何量子效应可表现为共振隧穿、量子阻塞、量子霍尔效应、量子霍尔黏性、量子自旋霍尔效应和单极磁场等，这些结果从不同角度展示了几何与新奇的物理现象之间的联系。

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黑磷中基于热驱动金属扩散诱导的相变

曹天俊, 单俊杰, 王刚, 林君浩, 梁世军, 缪峰

物理学进展 2024, 44 (1): 1-8. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.01.001

摘要（767）

PDF （6736KB）（700）

二维 (2D) 材料具有原子级平整、可范德华堆叠集成的性质，同时蕴含了丰富的物理现象与优异的电学性质，对其相变行为的研究一直是凝聚态物理与材料科学领域的前沿。本研究中，我们在黑磷 (BP) 中首次实现了基于热驱动金属扩散诱导的阶段式可控相变。通过对 BP-In 界面的热退火处理，我们观察到了从 BP 纯相到 BP/InP 混合相，再到 InP 纯相的阶段式相变现象。利用透射电子显微与拉曼光谱等表征技术，我们对诱导相变产生的机制进行了深入剖析，揭示了 BP-In 中热驱动的金属扩散行为是诱导相变发生的主要原因。通过对热驱动中影响能量供给的两个自由度 (温度与时间) 的精准调控，得到了阶段式相变过程中两个关键的阈值温度 (相变启动与实现纯相转变) 分别为 300 与 350 °C。本研究为 2D 材料体系中相变工程相关的研究提供了新的思路，也为拓展 BP 在电子学与光电子学器件中的应用提供了更多的可能性。

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电子发展简史

石锋 , 刘金华 , 张灵翠 , 徐越 , 娄有信 , 沈燕 , 赵金博

物理学进展 2025, 45 (2): 79-104. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.02.003

摘要（265）

PDF （516KB）（595）

电子是组成原子的不可分割的一部分。古人认为原子不可再分，直到 19 世纪末，汤姆逊才发现了电子的存在，证明原子是可再分割的。电子的波动性、电子自旋以及正电子的发现经历了一段复杂而曲折的历史，这些重大的科学突破最终促成了多项诺贝尔物理学奖的颁发。电子的发现，对量子力学的诞生起到了重要的促进作用。正是在探索原子结构模型的过程中，科学家们逐步发展出了量子力学和量子场论。电子的发现极大地推动了人们对材料的认识，催生了一系列重要理论，例如洛伦兹自由电子论、索末菲模型以及能带理论。特别是能带理论，它不仅阐释了金属、半导体和绝缘体的电子性质差异，还为现代电子技术的发展奠定了基础，引领人类步入了信息时代。

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基于卤化物钙钛矿的图像传感器

张强, 董昊田, 包春雄

物理学进展 2024, 44 (6): 278-292. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.06.002

摘要（742）

PDF （5446KB）（584）

图像传感器在生产生活中被广泛使用，例如X 射线传感器被广泛应用于医疗影像和安全检查；可见光传感器可以应用于人脸识别和智能设备；近红外传感器在生物识别中不可或缺。目前上述的图像传感器主要使用基于硅、锗或者III∼V 族等半导体的光电探测器，这些传感器都存在一些不足之处，比如彩色图像传感器存在光利用率低、会产生摩尔纹等问题。金属卤化物钙钛矿作为一种优异的光电半导体材料，由于具有光吸收系数高、带隙可调、缺陷容忍度高等特点成为制备高性能光电探测器的选择之一。本文综述了基于金属卤化物钙钛矿图像传感器的研究进展，分析了目前其与商用器件的差距并提出一些改进建议。

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