現(xiàn)有的紅外上轉換器件可將紅外光子直接轉為可見光，省去部分信號處理電路，但多數(shù)仍依賴外部偏置電路與供電系統(tǒng)，且無機疊層器件存在載流子橫向擴散問題，難以實現(xiàn)高分辨像素化成像，柔性適配性也受到極大限制。如何構建無像素陣列、無讀出電路、自驅動免外接電源的一體化紅外成像器件，成為紅外光電領域亟待突破的關鍵難題。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，電子科技大學和中國科學院上海技術物理研究所的研究團隊提出了單片集成光子映射近紅外成像技術，該光子映射紅外成像儀（PMII）采用垂直級聯(lián)薄膜堆疊架構，將多組光電感光單元與發(fā)光單元單片集成，依靠光生伏特累積效應實現(xiàn)自驅動近紅外-可見光上轉換成像。該器件工作波段覆蓋780–900 nm近紅外，實現(xiàn)5799 ppi超高分辨率與18.5 kHz超高幀頻，具備本征柔性、低背景噪聲、大面積可制備、室溫兼容等優(yōu)勢，徹底顛覆傳統(tǒng)紅外成像系統(tǒng)架構，為輕量化、便攜式、柔性紅外可視化技術開辟全新路徑。相關研究成果以“Monolithically integrated photon-mapping infrared imager”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。器件設計
PMII采用垂直級聯(lián)一體化設計，整體由28層功能薄膜精密堆疊構成，核心為五層串聯(lián)感光單元（LSU）+單層發(fā)光單元（LEU）組合，層間通過中間互連層（ICL）實現(xiàn)載流子傳輸與電學串聯(lián)。器件底層為ITO電極，頂層為金屬電極，無需額外像素化光刻與外圍讀出電路，實現(xiàn)結構極簡的單片集成設計。各功能層分工明確：感光單元負責近紅外光子吸收與光生電勢產(chǎn)生；互連層調(diào)控界面能級、實現(xiàn)層間串聯(lián)導通；發(fā)光單元將累積電勢轉化為可見光輻射。圖1展示了PMII與傳統(tǒng)紅外成像系統(tǒng)的本質區(qū)別。單片垂直集成設計徹底顛覆了傳統(tǒng)紅外成像的復雜架構，實現(xiàn)了真正“即照即顯”的自驅動可視化。
圖1 PMII與傳統(tǒng)紅外成像系統(tǒng)的本質區(qū)別
研究人員對PMII的光電性能進行了測試，相關測試結果如圖2所示。光譜測試表明，感光單元在780–900 nm近紅外波段吸收強度優(yōu)異，發(fā)光層在523 nm發(fā)射綠光；自驅動模式下，器件開啟閾值低至80 μW/cm2，弱光探測能力突出，且分辨率高達5799 ppi；PMII在分辨率和工作電壓上全面優(yōu)于現(xiàn)有技術。圖2 PMII的光電性能
研究人員深入研究了PMII器件堆疊層數(shù)對其性能的影響，同時也對器件的動態(tài)性能及噪聲性能做了測試，相關結果如圖3所示。結果顯示，感光單元堆疊層數(shù)直接決定器件驅動能力：三層LSU累積電勢勉強達到發(fā)光單元開啟閾值，成像線性度差；五層堆疊可實現(xiàn)電勢穩(wěn)定飽和，兼顧亮度、線性度與轉換效率，為最優(yōu)堆疊構型。自驅動模式不僅省電，更關鍵的是抑制了橫向擴散和背景噪聲，這是實現(xiàn)高分辨率無像素成像的核心。圖3 堆疊層數(shù)對性能的關鍵影響及動態(tài)優(yōu)勢
研究人員將PMII在多個實際場景中應用，測試了其與商用紅外觀視卡對比、柔性力學穩(wěn)定性以及生物精細成像，相關應用成果如圖4所示。結果顯示，從弱光檢測到柔性彎曲，從超高分辨到生物透視，PMII展現(xiàn)了顛覆傳統(tǒng)成像范式的廣闊應用前景。圖4 PMII在多個實際場景中的優(yōu)異表現(xiàn)
綜上所述，這項研究創(chuàng)新提出單片集成光子映射紅外成像器，通過五層感光單元與發(fā)光單元垂直堆疊，利用光生伏特累積效應實現(xiàn)自驅動近紅外-可見光上轉換成像。器件無需像素化陣列、無需讀出電路、免外接供電，實現(xiàn)5799 ppi超高分辨率與18.5 kHz超高幀頻，自驅動模式下低背景噪聲、線性響應優(yōu)異，同時具備良好柔性與力學穩(wěn)定性。該工作突破傳統(tǒng)紅外成像系統(tǒng)架構復雜、依賴外設、分辨率受限的瓶頸，建立了材料-器件-成像一體化新范式，為輕量化、柔性化、低功耗近紅外可視化技術提供全新解決方案，對下一代智能感知、生物醫(yī)療成像、便攜式紅外探測設備的發(fā)展具有重要推動意義。https://doi.org/10.1038/s41467-026-73659-z
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