上海科技大学物质学院宁志军课题组以胶体量子点材料为基础,制备出一种新型、低成本、高探测率的红外上转换器件。此外,研究团队还探索了该器件在生物医学成像领域的应用,通过用红外光照射小鼠乳腺组织,在红外上转换器件的帮助下,正常组织和癌变组织可以清晰地分辨出来。


相关研究成果,以“Solution-processed upconversion  photodetectors based on quantum dots”为题发表在3月31日《自然—电子学》(Nature Electronics)。


近红外光电探测与成像器件在生物检测、信息通讯、军事、气象等领域中有重要作用。传统的成像器件需要红外光电探测器与读出电路集成,复杂的集成工艺限制了红外成像系统的发展。红外上转换器件作为一种替代的解决方案,具有工艺简单、无需与读出电路集成的优点,可以将红外光直接转化为可见光成像。也就是说通过红外上转换器件,我们可以直接“看见红外光”。


将红外光电探测器和可见光LED结合起来,通过“光-电-光”的线性转化过程,将红外光转换为可见光,被认为最适用于红外成像领域的探测器结构。然而,受限于红光光电探测器部分较低的光子-电子转化效率,红外上转换器件的整体光子-光子转换效率较低。此外,目前已报道的红外上转换器件大多需要用高成本的真空沉积方法制备,且已报道的红外上转换器件的工作电压很高,不利于制备柔性器件。


针对以上问题,宁志军课题组以胶体量子点材料为基础,制备出一种新型、低成本、高探测率的红外上转换器件(图1a)。量子点(quantum dot)是准零维的纳米材料,由有限数目的原子组成。自上世纪70年代中期以来,因其具有许多独特的性质而得到了深入研究和广泛应用,利用量子点代替传统的半导体材料制作器件就是其中非常重要的应用之一。


这种红外上转换器件的红外吸收层和可见光发射层均采用了胶体量子点材料。受益于胶体量子点可溶液法处理的特性,除了最上面的电极,整个红外上转换器件全部采用溶液法制备,极大简化了器件的制备。


上科大制备量子点红外上转换器件,让肉眼可看到“红外光”

图1:红外上转换器件结构和能带示意图


为了提高红外上转换器件的光子对光子转换效率,研究人员在ZnO电子传输层中引入了银纳米粒子。在无红外光入射的情况下,ITO电极和氧化锌之间有较大的势垒,空穴无法从ITO注入到ZnO中,电流很小;在有红外光入射时,光生电子会被Ag纳米粒子捕获并在ITO和ZnO的界面处聚集,界面聚集的电子增加了器件界面的能带弯曲,减少了势垒宽度,这样ITO中的空穴大量隧穿注入到ZnO中,实现电流倍增(图1b)。基于这种增益机制的胶体量子点红外探测器外量子效率可以达到8000%,探测率达到6×1012Jones,响应速度在毫秒量级,与目前已报道的胶体量子点红外光电探测最高性能相当。


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图2:红外上转换器件成像图片


研究团队进一步将这种高效率的红外光电探测器和胶体量子点发光二极管结合起来,制备了红外上转换器件并取得了6.5%的光子转换效率。这在溶液法制备的两端红外上转换器件中是最高的,而且器件启动电压仅为2.5V。


研究人员探索了该器件在生物医学成像领域的应用,通过用红外光照射小鼠乳腺组织,在红外上转换器件的帮助下,正常组织和癌变组织可以清晰地分辨出来(图2),展示了红外上转换器件在生物成像领域良好的应用前景。此外,该工作还首次制备了柔性红外上转换器件,有望应用于可穿戴电子器件。


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


相关知识点:


关于:量子点


量子点是一种把激子在三个维度方向上束缚住的准零维纳米材料。粗略地说,量子点三个维度的尺寸都在100nm以下,外观一般为球形或类球形,因此又被称为纳米晶。科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点,常见的如化学溶液生长法,外延生长法和电场约束法。化学溶液生长法制备出的量子点多为胶状,具有成本低,产率大,发光效率高等优点,但电导率较低,因此大大限制了其在电学器件中的应用;外延生长法是一种衬底材料上成核生长出量子点的方法,该方法生长出的量子点很容易与传统半导体器件结合。另外具有较高电荷传输效率和较少的表面缺陷,但由于反应过程中需要高真空或超高真空,因此该方法制备的量子点成本较高;电场约束法是一种利用调控金属电极的电势使半导体内的能级发生扭曲,形成对载流子的约束制备出量子点的方法。成本最高,产率也最低。但用这种方法制作出的量子点由于极高的可控性,广泛地应用在量子计算理论研究中。


量子点的发现在2003年被Science杂志评为年度十大科学突破之一。经过十多年的发展,量子点由于其优异的物理、光学、电学等特性,目前已广泛地应用在太阳能电池、医学检测和显示器等领域。






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