上科大宁志军课题组开发高精度大面积上转换红外成像器件实现短波红外可视化成像

红外可视化在安全监控、医疗诊断、军事作战和工业检测等领域有广泛应用。传统的红外成像技术通常是将铟镓砷等探测器阵列与读出集成电路集成，并且还需要复杂的图像处理才能显示图像，因此需要严格的倒装焊接，限制了像素尺寸和规模，并造成高昂的成本。

近年来，由溶液法制备的红外光电探测器和可见光发光二极管直接物理堆叠构成的上转换红外探测器由于其制备工艺简单，成本较低而备受关注。但是目前红外上转换光电探测器的光子转换效率较低，光照和暗态下对比度低，而且器件的面积小，这些因素限制了器件的成像效果。

近日，上海科技大学物质科学与技术学院的宁志军教授团队开发了一种基于红外胶体量子点和钙钛矿可见发光二极管的红外上转换成像器，实现了高精度大面积等效像素规模超七百万的红外成像器件，并且对保密信息直接实现了红外可视化成像。该成果于2月14日在全球权威的学术期刊Cell的姊妹期刊Device上在线发表。

图1：上转换探测器结构及成像示意图。

宁志军团队基于前期量子点红外上转换器件的研究基础（Nature Electronics, 2020, 3, 251），发现传统的量子点上转换红外探测器效率较低的原因来自于发光层较低的发光效率，其中重要的原因是胶体量子点探测与发光层之间的能级不匹配，影响了从红外探测器到发光二极管的载流子传输，影响了发光层中的载流子注入。

为了解决这一问题，宁志军团队采用新兴的卤素钙钛矿作为发光材料，替代传统的量子点发光层。与之前常用的量子点发光二极管相比，钙钛矿发光二极管的价带顶位置比量子点发光二极管低0.5 eV，大幅降低了红外光电探测器与发光二极管之间的势垒，有效改善了空穴在中间传输层中的输运。通过空间电荷限制电流测试发现，钙钛矿发光二极管的纯空穴传输层器件的空穴密度比量子发光二极管高出约两个数量级。空穴输运的改善使得发光二极管层的电子和空穴注入更加平衡，从而大幅提升了发光二极管的发光量子效率。

基于红外量子点和钙钛矿发光材料结合制备的红外上转换器件，团队实现了10.6%的红外到可见光对光转换效率。此外器件在红外光照下的增益达到10以上，使得器件具有较高的光照和暗态的对比度，结合器件较高的增益和光子转换效率，器件的分辨率有效提升。通过掩膜板测试，红外上转换探测器能区分的线对达到43.5 lp/mm，对应11 μm的分辨率，这是目前溶液法制备的红外上转换器件所达到的最佳值。

除了器件效率的提升，这项工作采用了基于液相法表面配体交换的量子点墨水进行红外量子点薄膜的制备。相对于传统的固相配体交换方法，量子点墨水的方法有效提升了薄膜的均一性。基于该量子点薄膜，团队制备了工作面积为9 cm²的超大面积上转换成像器件，远超目前报导的红外上转换器件的工作面积，超过了目前全画幅相机的感光元件面积(8.64 cm²)。基于探测器件的空间分辨率和面积计算得到大面积上转换探测器的等效像素规模达到七百万以上，超过了目前基于CMOS的红外成像器件的最高值。

图2：红外上转换探测器分辨率测试图（左），基于上转换红外探测器的上海科技大学校徽成像图。

利用器件高分辨率和大面积的特点，该器件可用于可视化直接成像。团队利用该器件实现了对上海科技大学校徽的高清红外可视化成像(图2)。此外，运用该器件还可以对夹在两层不透明片子中间的保密信息进行成像，隐藏的“SHT”字样通过上转换探测器清晰的展现出来。

图3：上转换探测器对保密图案成像示意图。

红外量子点探测材料和钙钛矿发光材料的结合为红外上转换器件的构筑提供了一个新型的器件结构，该结构展现出优异的光子上转换性能，并实现了在红外成像和信息防伪等领域的应用，具有良好的发展前景。此外该工作表明通过降低红外光电探测器与发光二极管之间的势垒可以有效增强发光二极管的发光量子效率，从而提升上转换探测器的光对光转换效率以及成像效果，为上转换探测器的发展提供了思路。

该工作最近以“Infrared visualization based on quantum dot upconversion photodetector using perovskite emitter”为题发表在Device期刊上，上海科技大学为第一完成单位，宁志军教授为通讯作者，宁志军课题组研究生王浩（现就职于上海光机所）和刘云龙，副研究员周文佳为共同第一作者。论文得到了上科大物质学院陆卫教授、新加坡国立大学林志群教授、上海光机所冷雨欣研究员和中国科学院杭州高等研究院杜鹃研究员的支持和协助。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666998624006185?dgcid=author