上科大《Nature》子刊：讓我們直接“看見紅外光”！_風聞

上海科技大學物質學院寧志軍課題組以膠體量子點材料為基礎，製備出一種新型、低成本、高探測率的紅外上轉換器件，展示了紅外上轉換器件在生物成像和可穿戴電子器件領域良好的應用前景。近日，該成果以“Solution-processed upconversion photodetectors based on quantum dots”為題發表在Nature子刊Nature Electronics上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41928-020-0388-x

近紅外光電探測與成像器件在生物檢測、信息通訊、軍事、氣象等領域中有重要作用。傳統的成像器件需要紅外光電探測器與讀出電路集成，複雜的集成工藝限制了紅外成像系統的發展。紅外上轉換器件作為一種替代的解決方案，具有工藝簡單、無需與讀出電路集成的優點，可以將紅外光直接轉化為可見光成像。也就是説通過紅外上轉換器件，我們可以直接“看見紅外光”。

將紅外光電探測器和可見光LED結合起來，通過“光-電-光”的線性轉化過程，將紅外光轉換為可見光，被認為最適用於紅外成像領域的探測器結構。然而，受限於紅光光電探測器部分較低的光子-電子轉化效率，紅外上轉換器件的整體光子-光子轉換效率較低。此外，目前已報道的紅外上轉換器件大多需要用高成本的真空沉積方法制備，且已報道的紅外上轉換器件的工作電壓很高，不利於製備柔性器件。

針對以上問題，寧志軍課題組以膠體量子點材料為基礎，製備出一種新型、低成本、高探測率的紅外上轉換器件（圖1a）。這種紅外上轉換器件的紅外吸收層和可見光發射層均採用了膠體量子點材料。受益於膠體量子點可溶液法處理的特性，除了最上面的電極，整個紅外上轉換器件全部採用溶液法制備，極大簡化了器件的製備。

圖1 紅外上轉換器件結構和能帶示意圖

為了提高紅外上轉換器件的光子對光子轉換效率，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電極和氧化鋅之間有較大的勢壘，空穴無法從ITO注入到ZnO中，電流很小；在有紅外光入射時，光生電子會被Ag納米粒子捕獲並在ITO和ZnO的界面處聚集，界面聚集的電子增加了器件界面的能帶彎曲，減少了勢壘寬度，這樣ITO中的空穴大量隧穿注入到ZnO中，實現電流倍增（圖1b）。基於這種增益機制的膠體量子點紅外探測器外量子效率可以達到8000%，探測率達到6×1012Jones，響應速度在毫秒量級，與目前已報道的膠體量子點紅外光電探測最高性能相當。

研究團隊進一步將這種高效率的紅外光電探測器和膠體量子點發光二極管結合起來，製備了紅外上轉換器件並取得了6.5%的光子轉換效率。這在溶液法制備的兩端紅外上轉換器件中是最高的，而且器件啓動電壓僅為2.5V。研究人員探索了該器件在生物醫學成像領域的應用，通過用紅外光照射小鼠乳腺組織，在紅外上轉換器件的幫助下，正常組織和癌變組織可以清晰地分辨出來（圖2），展示了紅外上轉換器件在生物成像領域良好的應用前景。此外，該工作還首次製備了柔性紅外上轉換器件，有望應用於可穿戴電子器件。

圖2 紅外上轉換器件成像圖片

論文第一作者為周文佳助理研究員，通訊作者為寧志軍教授。上科大為第一完成單位。該成果得到了加拿大多倫多大學Edward H. Sargent 教授、F. Pelayo García de Arquer博士和上海藥物所黃鋭敏課題組的大力幫助。上海科技大學物質學院分析測試中心、信息學院陳佰樂課題組為分析測試提供了支持。該成果也得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金和上海市科委的支持。

本文來自“上科大物質學院”。