過去數(shù)十年間，研究人員發(fā)展了多種材料體系的上轉(zhuǎn)換器件，包括無機、有機、量子點、無機/有機雜化、量子點/有機雜化、鈣鈦礦/有機雜化等。其中有機上轉(zhuǎn)換器件（OUD）因其制備成本低、材料選擇靈活、工藝簡單、適合大面積制造等獨特優(yōu)勢備受青睞。早期有機上轉(zhuǎn)換器件采用單層有機光敏層作為探測器、熒光有機發(fā)光二極管（OLED）作為發(fā)光層，但受限于單層光敏層電荷解離效率低與熒光OLED發(fā)光效率本征不高，器件效率普遍較低。近年來，通過平面異質(zhì)結(jié)與本體異質(zhì)結(jié)有機光電探測器（OPD）增強電荷解離、采用磷光或熱激活延遲熒光OLED提升發(fā)光效率、引入疊層架構(gòu)提高光生載流子利用率等策略，有機上轉(zhuǎn)換器件性能得到顯著提升。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，云南大學的研究團隊提出一種新型有機上轉(zhuǎn)換器件，巧妙利用共振光學微腔放大本征微弱的分子間電荷轉(zhuǎn)移（CT）吸收，成功將近紅外（NIR）輻射轉(zhuǎn)換為可見光。器件采用給體m-MTDATA與受體C??構(gòu)建的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)作為近紅外吸收源——兩種材料本征吸收均無法覆蓋近紅外波段，但其形成的分子間電荷轉(zhuǎn)移吸收帶可延伸至1600 nm。通過法布里-珀羅共振腔的相長干涉選擇性增強電荷轉(zhuǎn)移吸收帶，980 nm近紅外照射下光子-光子轉(zhuǎn)換效率達16.9%；僅通過調(diào)節(jié)腔厚，首次實現(xiàn)了工作于1550 nm通信波段的高效有機上轉(zhuǎn)換器件。此外，團隊利用點陣連接電極（DMCE）制備大面成像芯片，無需復(fù)雜讀出集成電路即可實現(xiàn)單探測器近紅外成像。該工作揭示了分子間電荷轉(zhuǎn)移吸收作為通用平臺在近紅外傳感、上轉(zhuǎn)換與成像領(lǐng)域的巨大潛力。研究成果以“Resonant Cavity-Enhanced Intermolecular Charge-Transfer Absorption for Near-Infrared Photon Upconversion and Single-Detector Imaging”為題發(fā)表在Advanced Materials期刊上。
器件架構(gòu)設(shè)計
研究團隊提出的有機上轉(zhuǎn)換器件采用垂直堆疊的一體化結(jié)構(gòu)：玻璃襯底上制備氧化銦錫（ITO）陽極，其上依次構(gòu)建標準底發(fā)射OLED（空穴傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸層）；OLED上方為金屬連接電極，兼作光學反射鏡，反射近紅外與可見光；連接電極之上是有機光電探測器，由受體層、給體：受體混合層、給體層三層構(gòu)成；有機光電探測器頂部為半透明金屬陰極，最外層覆蓋層兼具保護與增強近紅外光耦合效率的功能。圖1展示了新型有機上轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1 新型有機上轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)示意圖
電荷轉(zhuǎn)移吸收表征與共振腔增強探測器性能
研究團隊選擇具有淺最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級的m-MTDATA作為給體材料、具有深最低未占分子軌道（LUMO）能級的C??作為受體材料。為精確提取微弱的電荷轉(zhuǎn)移吸收，研究團隊采用轉(zhuǎn)移矩陣法擬合不同厚度薄膜的吸光度，提取消光系數(shù)。基于電荷轉(zhuǎn)移吸收，研究團隊制備了共振腔增強型有機光電探測器并對其進行了測試，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。
圖2 基于m-MTDATA:C??電荷轉(zhuǎn)移吸收的諧振腔增強型有機光電探測器
有機上轉(zhuǎn)換器件性質(zhì)
在有機光電探測器驗證基礎(chǔ)上，研究團隊根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)，制備了完整的近紅外-可見光上轉(zhuǎn)換器件，并對其進行了詳細的測試，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。
圖3 基于諧振腔增強型m-MTDATA:C??電荷轉(zhuǎn)移吸收的有機上轉(zhuǎn)換器件
光譜可調(diào)性
電荷轉(zhuǎn)移吸收的寬光譜特性賦予器件獨特的波長可調(diào)性——只需調(diào)節(jié)有機光電探測器腔長即可連續(xù)調(diào)諧探測波長。研究團隊制備了四種腔厚的器件，共振峰分別位于980 nm、1064 nm、1450 nm與1550 nm，并對其進行了仿真測試（如圖4）。結(jié)果顯示，有機光電探測器整體吸收相對穩(wěn)定，因為大部分吸收來自電極的寄生吸收；但真正貢獻載流子產(chǎn)生的m-MTDATA:C??活性層吸收強度隨波長增加顯著下降，與電荷轉(zhuǎn)移消光系數(shù)的波長依賴行為一致。
圖4 諧振腔增強型有機上轉(zhuǎn)換器件的光譜可調(diào)性
單探測器近紅外成像
傳統(tǒng)近紅外圖像傳感器將近紅外信號轉(zhuǎn)換為可見光圖像需要經(jīng)過多級復(fù)雜流程。本研究的上轉(zhuǎn)換器件則通過點陣連接電極即可實現(xiàn)同等功能。集成點陣連接電極（DMCE）的核心作用是抑制有機光電探測器/OLED界面的橫向電流擴散，將光生電子的空間輸運限制在局部。當"YNU"字形的近紅外信號照射器件時，DMCE有選擇地從有機光電探測器提取光生電子，并以確定的空間分辨率注入OLED，精確復(fù)現(xiàn)對應(yīng)的可見光圖像，相關(guān)實驗設(shè)置及成像結(jié)果如圖5所示。
圖5 DMCE的大面積有機上轉(zhuǎn)換器件實現(xiàn)近紅外成像
總結(jié)
《銦鎵砷（InGaAs）光電探測器專利態(tài)勢分析-2025版》
《蘋果在量子點光電傳感器領(lǐng)域的發(fā)明專利與產(chǎn)業(yè)布局分析》
《量子點光電傳感器專利態(tài)勢分析-2024版》
《紅外熱成像與傳感技術(shù)及市場-2025版》
《短波紅外、中波紅外和制冷型紅外成像-2025版》
《汽車級長波紅外攝像頭產(chǎn)品對比分析-2025版》
《汽車紅外攝像頭技術(shù)及市場-2024版》
《邁來芯MEMS遠紅外熱電堆傳感器MLX90632產(chǎn)品分析》
《自動駕駛及艙內(nèi)感知應(yīng)用的紅外相機技術(shù)及市場-2025版》
《高光譜和多光譜成像技術(shù)、應(yīng)用和市場趨勢-2025版》
