【儀表網 研發快訊】紅外可視化技術在安全監控、醫療診斷、軍事作戰和工業檢測等眾多領域被廣泛應用。傳統的紅外成像技術通常需要集成銦鎵砷等探測器陣列與讀出集成電路，實現圖像顯示還需要復雜的圖像處理流程。整個過程中需要嚴格的倒裝焊接，這不僅限制了像素尺寸和規模，還導致了高昂的成本。
近年來，由溶液法制備的紅外光電探測器與可見光發光二極管直接物理堆疊構成的上轉換紅外探測器，因其制備工藝簡單、成本較為低廉，受到廣泛關注。但是目前紅外上轉換光電探測器存在光子轉換效率不高、光照和暗態下對比度低、器件的面積小等問題，嚴重限制了器件的成像效果。
近日，上海科技大學物質科學與技術學院寧志軍教授團隊開發了一種基于紅外膠體量子點和鈣鈦礦可見發光二極管的紅外上轉換成像器，不僅實現了高精度大面積等效像素規模超七百萬的紅外成像器件，更對保密信息直接實現了紅外可視化成像。該成果于2月14日在學術期刊Device上在線發表。
圖1：上轉換探測器結構及成像示意圖。
寧志軍團隊基于前期量子點紅外上轉換器件的研究基礎，發現傳統的量子點上轉換紅外探測器效率較低的原因來自于發光層較低的發光效率，其中重要的原因是膠體量子點探測與發光層之間的能級不匹配，影響了從紅外探測器到發光二極管的載流子傳輸，影響了發光層中的載流子注入。
為解決這一問題，團隊采用新興的鹵素鈣鈦礦作為發光材料，替代傳統的量子點發光層。鈣鈦礦發光二極管的價帶頂位置比量子點發光二極管低0.5 eV，大幅降低了紅外光電探測器與發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。空間電荷限制電流測試發現，鈣鈦礦發光二極管的純空穴傳輸層器件的空穴密度比量子發光二極管高出約兩個數量級。空穴輸運的改善使得發光二極管層的電子和空穴注入更加平衡，從而大幅提升了發光二極管的發光量子效率。
基于紅外量子點和鈣鈦礦發光材料結合制備的紅外上轉換器件，具備10.6%的紅外到可見光對光轉換效率。此外器件在紅外光照下的增益達到10以上，使得器件具有較高的光照和暗態的對比度，結合器件較高的增益和光子轉換效率，器件的分辨率得到有效提升。通過掩膜板測試，紅外上轉換探測器能區分的線對達到43.5 lp/mm，對應11 μm的分辨率，這是目前溶液法制備的紅外上轉換器件所達到的最佳值。
除了器件效率和分辨率的提升，本工作還實現了大面積成像。研究人員采用基于液相法表面配體交換的量子點墨水進行紅外量子點薄膜制備，相比傳統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，團隊制備了工作面積為9 cm2的超大面積上轉換成像器件，遠超目前報導的紅外上轉換器件的工作面積，超過了目前全畫幅相機的感光元件面積(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換探測器的等效像素規模達到七百萬以上，超過了目前基于CMOS的紅外成像器件的最高值。
圖2：紅外上轉換探測器分辨率測試圖(左)，基于上轉換紅外探測器的上海科技大學校徽成像圖。
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，團隊已實現對上海科技大學校徽的高清紅外可視化成像(圖2)。此外，運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行成像(圖3)，隱藏的“SHT”字樣可通過上轉換探測器清晰的展現出來。
圖3：上轉換探測器對保密圖案成像示意圖。
本工作構筑了一項新的紅外上轉換器件結構，通過結合紅外量子點探測材料和鈣鈦礦發光材料，這一新結構展現出優異的光子上轉換性能，實現了在紅外成像和信息防偽等領域的應用，具有良好的發展前景，已申請了專利保護。此外本工作表明，降低紅外光電探測器與發光二極管之間的勢壘可以有效增強發光二極管的發光量子效率，從而提升上轉換探測器的光對光轉換效率以及成像效果，為上轉換探測器的發展提供了思路。
上海科技大學為成果的第一完成單位，寧志軍課題組博士畢業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物質學院陸衛教授、新加坡國立大學林志群教授、中國科學院上海光學精密機械研究所冷雨欣研究員和杜鵑研究員的悉心指導。
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