我國(guó)學(xué)者研發(fā)可直接轉(zhuǎn)化紅外光為可見光成像的新型轉(zhuǎn)換器

上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院寧志軍課題組以膠體量子點(diǎn)材料為基礎(chǔ)，制備出一種新型、低成本、高探測(cè)率的紅外上轉(zhuǎn)換器件。該研究成果3月31日發(fā)表于《自然—電子學(xué)》。

近紅外光電探測(cè)與成像器件在生物檢測(cè)、信息通信、軍事、氣象等領(lǐng)域中有重要作用。但是復(fù)雜的集成工藝限制了紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展，而紅外上轉(zhuǎn)換器件作為一種替代的解決方案，可以將紅外光直接轉(zhuǎn)化為可見光成像。

為此，寧志軍課題組成功制備的這種紅外上轉(zhuǎn)換器件的紅外吸收層和可見光發(fā)射層，均采用了膠體量子點(diǎn)材料。得益于其可溶液法處理的特性，除了最上面的電極，整個(gè)紅外上轉(zhuǎn)換器件全部采用溶液法制備，極大簡(jiǎn)化了器件的制備。

為了提高紅外上轉(zhuǎn)換器件的光子對(duì)光子轉(zhuǎn)換效率，研究人員在ZnO電子傳輸層中引入了銀納米粒子。在無紅外光入射的情況下，ITO電極和ZnO之間有較大的勢(shì)壘，空穴無法從ITO注入到ZnO中，電流很小;在有紅外光入射時(shí)，光生電子會(huì)被Ag納米粒子捕獲并在ITO和ZnO的界面處聚集，增加器件界面的能帶彎曲，減少了勢(shì)壘寬度，ITO中的空穴大量隧穿注入到ZnO中，實(shí)現(xiàn)電流倍增。基于這種增益機(jī)制的膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)器外量子效率可以達(dá)到8000%，探測(cè)率達(dá)到6×1012Jones，響應(yīng)速度在毫秒量級(jí)，與目前已報(bào)道的膠體量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)最高性能相當(dāng)。

同時(shí)，研究人員進(jìn)一步將這種高效率的紅外光電探測(cè)器和膠體量子點(diǎn)發(fā)光二極管結(jié)合，制備了紅外上轉(zhuǎn)換器件并取得了6.5%的光子轉(zhuǎn)換效率。這在溶液法制備的兩端紅外上轉(zhuǎn)換器件中是最高的，而且器件啟動(dòng)電壓僅為2.5V。

研究人員探索了該器件在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的應(yīng)用，通過用紅外光照射小鼠乳腺組織，在紅外上轉(zhuǎn)換器件的幫助下，正常組織和癌變組織可以清晰地分辨出來，展示了紅外上轉(zhuǎn)換器件在生物成像領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景。此外，該工作還首次制備了柔性紅外上轉(zhuǎn)換器件，有望應(yīng)用于可穿戴電子器件。