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内容

Science Advances _ 台湾明志科大刘舜维教授团队_透明有机上转换器件实现肉眼可见高分辨率、单像素、低功耗红外成像

Enlitech-顶尖团队评分!

摘要

晶体光电二极管虽然仍然是最可行的红外传感技术,但其不透明性和像素尺寸缩减的限制阻碍了其在支持高分辨率原位红外成像方面的发展。在本研究中,我们提出了一种基于全有机非富勒烯材料的上转换器件,该器件通过激基复合物共主体发光系统将不可见的红外信号转换为人眼可见光。该器件通过解析 940 nm 的红外信号(功率密度为 103.8 μW cm−2),实现了 12.56% 的红外到可见光上转换效率。我们定制了一个半透明(平均可见光透射率约 60%)、大面积(10.35 cm2)、轻量级(22.91 g)、单像素上转换面板,可视化低至 0.75 μW cm2 的红外功率密度,推断偏置开关线性动态范围接近 80 dB。我们还展示了从人脸识别和光学雷达系统可视化低强度红外信号的可能性,这应该填补现有的基于像素化互补金属氧化物半导体和光学透镜技术的空白。 

研究背景与核心概念

红外可视化技术近年来备受关注,其目标是将人类的感知能力拓展到可见光谱之外,并在军事作战中的夜视镜、体内手术诊断和夜间潜在风险的揭示等方面具有潜在应用。然而,尽管具有良好的应用前景,但主流的晶体材料,如硅和化合物半导体,无法在不影响我们固有视觉的情况下可视化红外信息。现有的基于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术的红外成像系统需要复杂的微影技术,难以支持高分辨率大面积成像。此外,缩小像素尺寸而不牺牲几何串扰和填充因子会增加制造成本,这也阻碍了其发展。 

有机上转换器件 (OUDs) 提供了一种以相对较低的成本将红外图像转换为可见图像的诱人前景,即无须高密度读出集成电路即可实现高质量无像素红外成像。在过去的十年中,光子到光子上转换效率 (ηp-p) 从解决混合异质界面晶格失配问题的 0.2% 显著提高到基于具有单一光活性组分的全有机结构的 25.52%。与无机材料相比,OUDs 表现出诱人的优势,包括三维可视化、全彩多功能性、柔性基板适应性、高分辨率成像和透视显示,并已应用于健康监测和生物成像等领域 

研究方法与主要发现

为了应对现有的技术挑战,本研究提出了一种半透明、大面积、全有机红外上转换器件,可以选择性地分辨低至每平方厘米亚微瓦的红外光密度。研究人员采用了一种窄带隙非富勒烯受体 (NFA) COTIC-4F (Eg 为 1.10 eV)将其与典型的低带隙共轭共聚物 (PTB7Th) 混合形成体异质结 (BHJ) 作为器件的电荷生成层 (CGL),使其吸收光谱与标准硅光电二极管相当。器件的发光层 (EML) 采用激基复合物共主体磷光发光系统,通过混合 9,9′-二苯基-9H,9’H-3,3′-联咔唑 (BCzPh) 和 3‘,3′‘,3”’-(1,3,5-三嗪-2,4,6-三基)({[1,1′-联苯] 3-腈}) (CNT2T) 形成双极性激基复合物,掺杂磷光发射体双(2-苯基吡啶)(III)-乙酰丙酮 [Ir(ppy)2(acac)],实现了高效的激子弛豫。为了选择性地透射上转换的可见光,器件采用了半透明的铜银合金薄膜 (Cu:Ag, 1:50) 和 WO3 层作为顶部阴极,使整体器件的平均可见光穿透率 (AVT) 接近 60%。 

研究人员首先评估了基于 PTB7-Th:COTIC-4F CGL 的有机光电探测器 (OPD) 性能对其线性动态范围 (LDR)、外部量子效率 (EQE) 和比探测率 (D*) 等关键参数进行了表征。随后,他们制备了基于 PTB7-Th:COTIC-4F CGL 和激基复合物共主体磷光发光系统的 OUD,对其上转换亮度、LDR 和 ηp-p 等性能进行了测试。此外,研究人员还制备了半透明、大面积、单像素的上转换面板,展示了其在肉眼可视化低强度红外图像方面的应用潜力。 

研究结果与讨论

研究结果表明,基于 PTB7-Th:COTIC-4F CGL 的 OPD 在近红外波段表现出优异的探测性能,其 D* 超过 1011 Jones,证明了该材料体系作为 OUD 的 CGL 的潜力。基于 PTB7-Th:COTIC-4F CGL 的 OUD 在标准阴极结构下实现了 12.56% 的高 ηp-p,并在半透明顶发射结构下实现了 3.7% 的 ηp-p。研究人员利用光焱科技 LQ-50X PeLED 量子效率测试系统对 OUD 的性能进行了精确测量,获得了可靠的 J-V-L 特性、光谱、色度和量子效率等数据。 

此外,研究人员还展示了半透明、大面积、单像素上转换面板在可视化人脸识别和光学雷达系统发出的低强度红外信号方面的应用。该面板能够在肉眼可视化 1.5 米外的蜂窝状红外图案,证明了其在无像素红外成像方面的潜力。 

尽管取得了显着进步,但该研究仍存在一些限制: 

  • 可见光穿透率: 目前,半透明 OUD 的平均可见光穿透率 (AVT) 仅达到 60% 左右,这会影响其在需要高度透明度的应用中的表现。 
  • 上转换效率: 与标准结构相比,顶部发射结构的 OUD 的上转换效率较低,这主要是由于半透明阴极反射的红外光子较少。 
  • 响应速度: OUD 的响应速度通常比传统的红外探测器慢,这限制了其在需要快速响应的应用中的使用。 
  • 工作电压: 目前,OUD 的工作电压仍然相对较高,这会增加功耗,并对驱动电路提出更高的要求。 
  • 成本: 与传统的红外探测器相比,OUD 的制造成本仍然相对较高,这限制了其大规模应用。 

结论与发展预测

这项研究展示了一种新型的半透明、大面积、全有机红外上转换器件,能够将不可见的红外信号转换为人眼可见光,并实现了高分辨率、单像素、低功耗的红外成像。这项技术有望取代现有的不透明和刚性红外成像技术,并为可穿戴式反侦察面板和立体视觉应用等领域带来新的突破。 

未来,可以通过以下几个方面进一步提高 OUD 的性能: 

优化 CGL 材料和器件结构,以提高红外光吸收效率和电荷提取效率,从而提高 AVT 和上转换效率。 

开发新型高效的激基复合物共主体磷光发光系统,以提高上转换效率和降低工作电压。 

探索更透明的电极材料,以提高器件的 AVT。 

改进器件制备工艺,降低制造成本。 

随着研究的深入,OUDs 在红外成像、生物医学成像、安全检测等领域的应用前景将会更加广阔。光焱科技 LQ-50X PeLED 量子效率测试系统凭借其高精度、宽动态范围和多功能性,将继续在 OUDs 研究中发挥重要作用,助力科研人员深入理解器件物理机制,开发更高效、更稳定的 OUDs 器件。 

Fig2PTB7ThOPD

Fig 2. PTB7-Th OPD 的器件性能。 (A) 在不同 940-nm 激光照明强度下的器件绝对电流密度-电压特性。插图显示了开路电压 Voc 依賴于近红外强度的步阶梯拟合结果。 (B) 在不同偏压下的器件线性动态范围(LDR)。虚线代表了理想情况下的偏压依赖暗电流水平,即从 (A) 图中得到的参考值。插图显示了理想情况下的斜率(斜率等于 1)。 (C) 在不同偏压下的器件外量子效率(EQE)和响应度光谱。响应度是在标准硅光电二极管 (FDS100, Thorlabs) 记录的参考值(橄榄色)。 (D) 在不同偏压下的器件*噪声等效功率(NEP)光谱。插图显示了在不同偏压下的器件操作时的噪声电流。 

Fig3OUD

Fig3. PTB7-Th:COTIC-4F OUD(标准结构)的器件性能 • 
 A: 电流密度-电压特性图,展示了在不同近红外光强度下的性能。插图显示了器件结构和电极。  

 B: 亮度-电压特性图,同样在不同近红外光强度下的表现。  

 C: 亮度-功率密度图,显示了在不同偏压下的泄漏亮度。斜率表明了泄漏亮度与功率密度的关系。  

 D: 外量子效率(EQE)随波长变化的图,不同颜色代表不同的偏压条件。  

E: 电流效率-电压特性图,显示了在不同近红外光强度下的电流效率。  

F: 红外到可见光上转换效率-电压特性图,也是在不同近红外光强度下的表现。 • 图 A:展示了器件的电流密度-电压特性曲线,不同颜色代表不同的近红外 (NIR) 光强度。 • 图 B:显示了器件的亮度-电压特性曲线,同样是在不同的 NIR 光强度下。 • 图 C:描绘了器件的亮度-功率密度特性,不同符号代表不同的偏压。 • 图 D:展示了器件的电致发光 (EL) 转換效率随波长变化的情况,以及透射光谱。 • 图 E:显示了器件的 EQE-PV 特性,即外量子效率随电压变化的情况。 • 图 F:比较了器件在不同模式下的电致发光光谱。

Fig4EQEPV

图 A:展示了器件的电流密度-电压特性曲线,不同颜色代表不同的近红外 (NIR) 光强度。  

图 B:显示了器件的亮度-电压特性曲线,同样是在不同的 NIR 光强度下。  

图 C:描绘了器件的亮度-功率密度特性,不同符号代表不同的偏压。  

图 D:展示了器件的电致发光 (EL) 转換效率随波长变化的情况,以及透射光谱。  

图 E:显示了器件的 EQE-PV 特性,即外量子效率随电压变化的情况。  

 图 F:比较了器件在不同模式下的电致发光光谱。 紅外到可見光上轉換效率-電壓特性圖,也是在不同近紅外光強度下的表現 

Fig6facialrecognitiontechnique

Fig 6. 通过一系列面板展示了一种人脸识别技术。 该技术利用可见、半透明的单像素上转换面板,将不可见的红外光转换为可见光,以便进行检测。实验的各个部分展示了不同的设置和结果。  

A: 展示了面板与人脸距离变化对红外功率密度的影响。 

 B & F: 设备关闭状态下,被试者眼睛清晰可见。  

C & G: 设备开启状态下,上转换亮度均匀,可视化了洪水照明器的红外光。 

 D: 光点可视化了红外路径,人手阻挡了部分光线。 

 E & H: 展示了红外可视化的 LiDAR 功能,通过上转换面板实现。 

Reference

SCIENCE ADVANCES_26 APR 2023_VOL 9, ISSUE 17_DOI: 10.1126/SCIADV.ADD7526

https://doi.org/10.1126/SCIADV.ADD7526

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