上海科技大學物質學院寧志軍***以膠體量子點材料為基礎，制備出一種新型、低成本、高探測率的紅外上轉換器件。此外，研究團隊還探索了該器件在生物醫學成像領域的應用，通過用紅外光照射小鼠乳腺組織，在紅外上轉換器件的幫助下，正常組織和癌變組織可以清晰地分辨出來。

相關研究成果，以“Solution-processed upconversion photodetectors based on quantum dots”為題發表在3月31日《自然—電子學》（Nature Electronics）。

近紅外光電探測與成像器件在生物檢測、信息通訊、軍事、氣象等領域中有重要作用。傳統的成像器件需要紅外光電探測器與讀出電路集成，復雜的集成工藝限制了紅外成像系統的發展。紅外上轉換器件作為一種替代的解決方案，具有工藝簡單、無需與讀出電路集成的優點，可以將紅外光直接轉化為可見光成像。也就是說通過紅外上轉換器件，我們可以直接“看見紅外光”。

將紅外光電探測器和可見光LED結合起來，通過“光-電-光”的線性轉化過程，將紅外光轉換為可見光，被認為最適用于紅外成像領域的探測器結構。然而，受限于紅光光電探測器部分較低的光子-電子轉化效率，紅外上轉換器件的整體光子-光子轉換效率較低。此外，目前已報道的紅外上轉換器件大多需要用高成本的真空沉積方法制備，且已報道的紅外上轉換器件的工作電壓很高，不利于制備柔性器件。

針對以上問題，寧志軍***以膠體量子點材料為基礎，制備出一種新型、低成本、高探測率的紅外上轉換器件（圖1a）。量子點（quantum dot）是準零維的納米材料，由有限數目的原子組成。自上世紀70年代中期以來，因其具有許多獨特的性質而得到了深入研究和廣泛應用，利用量子點代替傳統的半導體材料制作器件就是其中非常重要的應用之一。

這種紅外上轉換器件的紅外吸收層和可見光發射層均采用了膠體量子點材料。受益于膠體量子點可溶液法處理的特性，除了最上面的電極，整個紅外上轉換器件全部采用溶液法制備，極大簡化了器件的制備。

圖1：紅外上轉換器件結構和能帶示意圖

為了提高紅外上轉換器件的光子對光子轉換效率，研究人員在ZnO電子傳輸層中引入了銀納米粒子。在無紅外光入射的情況下，ITO電極和氧化鋅之間有較大的勢壘，空穴無法從ITO注入到ZnO中，電流很小；在有紅外光入射時，光生電子會被Ag納米粒子捕獲并在ITO和ZnO的界面處聚集，界面聚集的電子增加了器件界面的能帶彎曲，減少了勢壘寬度，這樣ITO中的空穴大量隧穿注入到ZnO中，實現電流倍增（圖1b）。基于這種增益機制的膠體量子點紅外探測器外量子效率可以達到8000%，探測率達到6×1012Jones，響應速度在毫秒量級，與目前已報道的膠體量子點紅外光電探測最高性能相當。

圖2：紅外上轉換器件成像圖片

研究團隊進一步將這種高效率的紅外光電探測器和膠體量子點發光二極管結合起來，制備了紅外上轉換器件并取得了6.5%的光子轉換效率。這在溶液法制備的兩端紅外上轉換器件中是最高的，而且器件啟動電壓僅為2.5V。

研究人員探索了該器件在生物醫學成像領域的應用，通過用紅外光照射小鼠乳腺組織，在紅外上轉換器件的幫助下，正常組織和癌變組織可以清晰地分辨出來（圖2），展示了紅外上轉換器件在生物成像領域良好的應用前景。此外，該工作還首次制備了柔性紅外上轉換器件，有望應用于可穿戴電子器件。

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