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电子科技大学在高效红外上转换成像器件取得进展
2021-10-19    来源:麦姆斯咨询  浏览次数:
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红外探测器在环境监测、军事、生物等领域有着巨大应用潜力,特别是红外上转换器件无需后端读出电路制备简单成本较低,成为目前探测领域关注的热点。遗憾的是,受限于目前上转换器件的低光光转换效率、高能耗、弱光响应较差以及成像线性动态范围(I-LDR,工作在开启状态),高质量的上转换成像几乎没有报道。在过去的二十年中,已经开发了基于有机、无机和有机/无机杂化半导体的各种上转换器件,无机上转换器件中发射和探测单元之间通常需要晶格匹配和晶圆融合技术,因此存在光光转换效率低和制造成本高的问题。有机/无机杂化上转换器件集成了有机发光二极管和无机光电探测器,可以通过更方便的制备过程实现更高的光光转换效率,但它们受高结合能的影响,因此在弱光检测中表现不佳。


电子科技大学王军教授、陶斯禄教授针对这一挑战进行了探索。它们通过堆叠高性能有机红外探测器和界面exciplex有机发光单元,设计了一种红外上转换光电探测器,其宽带探测区域从400到1064 nm。实现了可以在1.56V极低电压工作的开关比超过85000的高性能红外上转换器件,同时具有弱光探测能力以及超过84dB的成像线性动态范围。利用高分辨率以及高线性动态范围,实现了多种较厚的生物样本成像与识别,特别是细胞种群类别如破骨细胞种群分辨,这些优异的结果将为未来低能耗高质量的近红外生物成像应用提供了新思路。


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器件结构与近红外生物成像


作者们率先利用界面激基复合物制造上转换器件,获得了12.92%的高光-光转换效率、285 lm W-1的高功率效率和1.56 V的极低开启工作电压(在另一个系统中甚至更低的1.3 V)。独立探测单元的探测D*接近6×1012 Jones,对应0.46 A/W的响应度。并且最大Voc显示接近0.6 V,以减轻发光单元的功耗。上转换器件 显示出低至3.2 μW cm-2的出色弱光检测能力,比相关报道的上转换器件低 1-2个数量级。由于低开启工作电压和优异的检测能力,上转换器件高达84.4 dB的成像线性动态范围首次被讨论和报道,为近红外成像提供了参考。上转换器件的低能耗和高成像线性动态范围保证了高质量和强穿透力的近红外生物成像,特别是在厚生物样品中表现出优越性和高分辨率,在无创缺陷检测和病理动态监测方面具有巨大潜力。


电子科技大学王军教授、陶斯禄教授为本论文共同通信作者,博士后杜晓扬和博士生韩嘉悦为该论文共同第一作者,此研究得到国家自然科学基金等资助支持。


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