新型量子點(diǎn)紅外上轉(zhuǎn)換器件，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域

上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院寧志軍***以膠體量子點(diǎn)材料為基礎(chǔ)，制備出一種新型、低成本、高探測率的紅外上轉(zhuǎn)換器件。此外，研究團(tuán)隊(duì)還探索了該器件在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的應(yīng)用，通過用紅外光照射小鼠乳腺組織，在紅外上轉(zhuǎn)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(guān)研究成果，以“Solution-processed upconversion photodetectors based on quantum dots”為題發(fā)表在3月31日《自然—電子學(xué)》（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(lǐng)域中有重要作用。傳統(tǒng)的成像器件需要紅外光電探測器與讀出電路集成，復(fù)雜的集成工藝限制了紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展。紅外上轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn)，可以將紅外光直接轉(zhuǎn)化為可見光成像。也就是說通過紅外上轉(zhuǎn)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(jié)合起來，通過“光-電-光”的線性轉(zhuǎn)化過程，將紅外光轉(zhuǎn)換為可見光，被認(rèn)為最適用于紅外成像領(lǐng)域的探測器結(jié)構(gòu)。然而，受限于紅光光電探測器部分較低的光子-電子轉(zhuǎn)化效率，紅外上轉(zhuǎn)換器件的整體光子-光子轉(zhuǎn)換效率較低。此外，目前已報道的紅外上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diǎn)材料為基礎(chǔ)，制備出一種新型、低成本、高探測率的紅外上轉(zhuǎn)換器件（圖1a）。量子點(diǎn)（quantum dot）是準(zhǔn)零維的納米材料，由有限數(shù)目的原子組成。自上世紀(jì)70年代中期以來，因其具有許多獨(dú)特的性質(zhì)而得到了深入研究和廣泛應(yīng)用，利用量子點(diǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體材料制作器件就是其中非常重要的應(yīng)用之一。

這種紅外上轉(zhuǎn)換器件的紅外吸收層和可見光發(fā)射層均采用了膠體量子點(diǎn)材料。受益于膠體量子點(diǎn)可溶液法處理的特性，除了最上面的電極，整個紅外上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)和能帶示意圖

為了提高紅外上轉(zhuǎn)換器件的光子對光子轉(zhuǎn)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??；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(shí)現(xiàn)電流倍增（圖1b）。基于這種增益機(jī)制的膠體量子點(diǎn)紅外探測器外量子效率可以達(dá)到8000%，探測率達(dá)到6×1012Jones，響應(yīng)速度在毫秒量級，與目前已報道的膠體量子點(diǎn)紅外光電探測最高性能相當(dāng)。

圖2：紅外上轉(zhuǎn)換器件成像圖片

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將這種高效率的紅外光電探測器和膠體量子點(diǎn)發(fā)光二極管結(jié)合起來，制備了紅外上轉(zhuǎn)換器件并取得了6.5%的光子轉(zhuǎn)換效率。這在溶液法制備的兩端紅外上轉(zhuǎn)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(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的應(yīng)用，通過用紅外光照射小鼠乳腺組織，在紅外上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器件在生物成像領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景。此外，該工作還首次制備了柔性紅外上轉(zhuǎn)換器件，有望應(yīng)用于可穿戴電子器件。

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