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上海科技大学宁志军教授团队在高精度大面积上转换红外成像器件领域取得重要进展
作者：欧光科技 发表时间：2025-02-18 16:44:53
近日，上海科技大学物质科学与技术学院宁志军教授团队在高精度大面积上转换红外成像器件领域取得了重要进展，成功开发了一种基于红外胶体量子点和钙钛矿可见发光二极管的红外上转换成像器，实现了高精度大面积等效像素规模超七百万的红外成像器件，并能够直接实现红外可视化成像。该成果于2025年2月14日在全球权威的学术期刊Cell的姊妹期刊Device上在线发表。
研究背景
红外可视化技术在自动驾驶、医疗成像、机器视觉、手势识别和三维（3D）传感等领域具有广泛的应用前景。然而，传统红外成像技术的制备工艺复杂、成本高昂，且难以实现高精度大面积成像。近年来，溶液法制备的红外上转换器件因其制备工艺简单、成本较低而受到关注，但这些器件的光子转换效率较低，光照和暗态下的对比度低，且器件面积小，限制了其成像效果。
研究创新与突破
宁志军教授团队在前期研究的基础上，发现传统量子点上转换红外探测器效率较低的原因在于发光层较低的发光效率，以及胶体量子点探测与发光层之间的能级不匹配。为了解决这一问题，团队采用新兴的卤素钙钛矿作为发光材料，替代传统的量子点发光层。这一创新显著降低了红外光电探测器与发光二极管之间的势垒，有效改善了空穴在中间传输层中的输运，从而大幅提升了发光二极管的发光量子效率。
基于这一创新，团队实现了10.6%的红外到可见光对光转换效率，器件在红外光照下的增益达到10以上，使得器件具有较高的光照和暗态对比度。结合器件较高的增益和光子转换效率，器件的分辨率有效提升，能够区分的线对达到43.5lp/mm，对应11μm的分辨率，这是目前溶液法制备的红外上转换器件所达到的最佳值。
高精度大面积成像
除了器件效率的提升，这项工作还采用了基于液相法表面配体交换的量子点墨水进行红外量子点薄膜的制备。这种方法有效提升了薄膜的均一性，使得团队能够制备出工作面积为9cm²的超大面积上转换成像器件，远超目前报道的红外上转换器件的工作面积，超过了目前全画幅相机的感光元件面积(8.64cm²)。基于探测器件的空间分辨率和面积计算，大面积上转换探测器的等效像素规模达到七百万以上，超过了目前基于CMOS的红外成像器件的最高值。
应用前景
利用器件高分辨率和大面积的特点，该器件可用于可视化直接成像。团队成功实现了对上海科技大学校徽的高清红外可视化成像，并能够对夹在两层不透明片子中间的保密信息进行成像，隐藏的“SHT”字样通过上转换探测器清晰地展现出来。这表明该器件在红外成像和信息防伪等领域具有广阔的应用前景。
宁志军教授团队的这项研究不仅在技术上取得了重大突破，还为红外上转换器件的发展提供了新的思路。通过降低红外光电探测器与发光二极管之间的势垒，有效增强了发光二极管的发光量子效率，从而提升了上转换探测器的光对光转换效率以及成像效果。这一成果为未来红外成像技术的发展和应用奠定了坚实的基础。
研究团队
该研究由上海科技大学物质科学与技术学院宁志军教授团队完成，宁志军教授为通讯作者，团队成员王浩（现就职于上海光机所）、刘云龙和周文佳为共同第一作者。研究得到了上科大物质学院陆卫教授、新加坡国立大学林志群教授、上海光机所冷雨欣研究员和中国科学院杭州高等研究院杜鹃研究员的支持和协助。
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