【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】紅外可視化技術(shù)在安全監(jiān)控、醫(yī)療診斷、軍事作戰(zhàn)和工業(yè)檢測等眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的紅外成像技術(shù)通常需要集成銦鎵砷等探測器陣列與讀出集成電路，實現(xiàn)圖像顯示還需要復(fù)雜的圖像處理流程。整個過程中需要嚴(yán)格的倒裝焊接，這不僅限制了像素尺寸和規(guī)模，還導(dǎo)致了高昂的成本。
 

　　近年來，由溶液法制備的紅外光電探測器與可見光發(fā)光二極管直接物理堆疊構(gòu)成的上轉(zhuǎn)換紅外探測器，因其制備工藝簡單、成本較為低廉，受到廣泛關(guān)注。但是目前紅外上轉(zhuǎn)換光電探測器存在光子轉(zhuǎn)換效率不高、光照和暗態(tài)下對比度低、器件的面積小等問題，嚴(yán)重限制了器件的成像效果。
 

　　近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院寧志軍教授團(tuán)隊開發(fā)了一種基于紅外膠體量子點和鈣鈦礦可見發(fā)光二極管的紅外上轉(zhuǎn)換成像器，不僅實現(xiàn)了高精度大面積等效像素規(guī)模超七百萬的紅外成像器件，更對保密信息直接實現(xiàn)了紅外可視化成像。該成果于2月14日在學(xué)術(shù)期刊Device上在線發(fā)表。
 

圖1：上轉(zhuǎn)換探測器結(jié)構(gòu)及成像示意圖。
 

　　寧志軍團(tuán)隊基于前期量子點紅外上轉(zhuǎn)換器件的研究基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的量子點上轉(zhuǎn)換紅外探測器效率較低的原因來自于發(fā)光層較低的發(fā)光效率，其中重要的原因是膠體量子點探測與發(fā)光層之間的能級不匹配，影響了從紅外探測器到發(fā)光二極管的載流子傳輸，影響了發(fā)光層中的載流子注入。
 

　　為解決這一問題，團(tuán)隊采用新興的鹵素鈣鈦礦作為發(fā)光材料，替代傳統(tǒng)的量子點發(fā)光層。鈣鈦礦發(fā)光二極管的價帶頂位置比量子點發(fā)光二極管低0.5 eV，大幅降低了紅外光電探測器與發(fā)光二極管之間的勢壘，有效改善了空穴在中間傳輸層中的輸運(yùn)。空間電荷限制電流測試發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦發(fā)光二極管的純空穴傳輸層器件的空穴密度比量子發(fā)光二極管高出約兩個數(shù)量級。空穴輸運(yùn)的改善使得發(fā)光二極管層的電子和空穴注入更加平衡，從而大幅提升了發(fā)光二極管的發(fā)光量子效率。
 

　　基于紅外量子點和鈣鈦礦發(fā)光材料結(jié)合制備的紅外上轉(zhuǎn)換器件，具備10.6%的紅外到可見光對光轉(zhuǎn)換效率。此外器件在紅外光照下的增益達(dá)到10以上，使得器件具有較高的光照和暗態(tài)的對比度，結(jié)合器件較高的增益和光子轉(zhuǎn)換效率，器件的分辨率得到有效提升。通過掩膜板測試，紅外上轉(zhuǎn)換探測器能區(qū)分的線對達(dá)到43.5 lp/mm，對應(yīng)11 μm的分辨率，這是目前溶液法制備的紅外上轉(zhuǎn)換器件所達(dá)到的最佳值。
 

　　除了器件效率和分辨率的提升，本工作還實現(xiàn)了大面積成像。研究人員采用基于液相法表面配體交換的量子點墨水進(jìn)行紅外量子點薄膜制備，相比傳統(tǒng)的固相配體交換方法，薄膜均一性得到了有效提升。基于該量子點薄膜，團(tuán)隊制備了工作面積為9 cm2的超大面積上轉(zhuǎn)換成像器件，遠(yuǎn)超目前報導(dǎo)的紅外上轉(zhuǎn)換器件的工作面積，超過了目前全畫幅相機(jī)的感光元件面積(8.64 cm2)。基于探測器件的空間分辨率和面積計算得到大面積上轉(zhuǎn)換探測器的等效像素規(guī)模達(dá)到七百萬以上，超過了目前基于CMOS的紅外成像器件的最高值。
 

　　圖2：紅外上轉(zhuǎn)換探測器分辨率測試圖(左)，基于上轉(zhuǎn)換紅外探測器的上海科技大學(xué)校徽成像圖。

 

　　該器件高分辨率和大面積的特點使其可用于可視化直接成像，團(tuán)隊已實現(xiàn)對上海科技大學(xué)校徽的高清紅外可視化成像(圖2)。此外，運(yùn)用該器件還可以對夾在兩層不透明基材中間的保密信息進(jìn)行成像(圖3)，隱藏的“SHT”字樣可通過上轉(zhuǎn)換探測器清晰的展現(xiàn)出來。
 

圖3：上轉(zhuǎn)換探測器對保密圖案成像示意圖。
 

　　本工作構(gòu)筑了一項新的紅外上轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)，通過結(jié)合紅外量子點探測材料和鈣鈦礦發(fā)光材料，這一新結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的光子上轉(zhuǎn)換性能，實現(xiàn)了在紅外成像和信息防偽等領(lǐng)域的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景，已申請了專利保護(hù)。此外本工作表明，降低紅外光電探測器與發(fā)光二極管之間的勢壘可以有效增強(qiáng)發(fā)光二極管的發(fā)光量子效率，從而提升上轉(zhuǎn)換探測器的光對光轉(zhuǎn)換效率以及成像效果，為上轉(zhuǎn)換探測器的發(fā)展提供了思路。
 

　　上海科技大學(xué)為成果的第一完成單位，寧志軍課題組博士畢業(yè)生王浩和碩士研究生劉云龍，副研究員周文佳為共同第一作者，寧志軍教授為通訊作者。本工作也得到了上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院陸衛(wèi)教授、新加坡國立大學(xué)林志群教授、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所冷雨欣研究員和杜鵑研究員的悉心指導(dǎo)。