近日，由美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的電氣工程師領(lǐng)導(dǎo)的一個科研小組項目介紹了一種將紅外光轉(zhuǎn)換成可見光圖像的薄型傳感器。通過測試表明，該圖像傳感器可以應(yīng)用于：（1）透過煙霧觀察環(huán)境；（2）透視硅片以檢查電子芯片的質(zhì)量和成分；（3）監(jiān)測心率的同時繪制人體血管圖像，而無需接觸受試者的皮膚。

美國加州大學(xué)圣地亞哥分校研發(fā)的短波紅外圖像傳感器

該圖像傳感器可探測光譜的短波紅外部分。在實際應(yīng)用中，成像系統(tǒng)先將短波紅外光照射在感興趣的物體或區(qū)域上，然后再將反射回系統(tǒng)的低能量短波紅外光轉(zhuǎn)換成人眼可以看到的波長更短、能量更高的可見光。

該科研小組開發(fā)的短波紅外圖像傳感器將光電探測器和顯示組件集成于一體。多個半導(dǎo)體層相互堆疊，每個半導(dǎo)體層的厚度約幾百納米。其中三層由不同的有機聚合物制成：光電探測器層、OLED顯示層，以及位于光電探測器和OLED顯示層之間的阻擋電子層。

該短波紅外圖像傳感器組成及材料

光電探測器層吸收短波紅外光或低能量光子，然后由于光電效應(yīng)產(chǎn)生電流，再流向OLED顯示層——電流被轉(zhuǎn)換成可見光圖像。阻擋電子層用于防止OLED顯示層在上轉(zhuǎn)換（Upconversion）過程中流失任何電流。這使得傳感器能夠產(chǎn)生更清晰的圖像。

注：光子上轉(zhuǎn)換（Photon Upconversion）是指吸收較長波長的兩個或多個光子，激發(fā)出較短波長的光子的過程。它是反斯托克型的發(fā)光，這種類型的發(fā)光的例子就是將紅外光轉(zhuǎn)化為可見光，具有這一發(fā)光特性的材料被稱作上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，它通常含有d區(qū)或f區(qū)的元素。

這項研究工作的第一作者Ning Li介紹說：“上轉(zhuǎn)換的好處是，可以在一個薄而緊湊的器件中實現(xiàn)紅外光到可見光的直接轉(zhuǎn)換。而在一個典型的紅外成像系統(tǒng)中，你需要一個紅外探測器陣列來收集數(shù)據(jù)，一臺計算機來處理數(shù)據(jù)，以及一個單獨的屏幕來顯示數(shù)據(jù)。這就是為什么大多數(shù)現(xiàn)有紅外成像系統(tǒng)的體積龐大、價格昂貴的原因。”

因為該圖像傳感器采用有機半導(dǎo)體制造而成，所以價格低廉、使用靈活，并且可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。當前正在使用的或以前使用的許多紅外成像系統(tǒng)都是昂貴、笨重和復(fù)雜的；它們通常需要單獨的成像相機和顯示器，系統(tǒng)中的紅外探測器主要由無機半導(dǎo)體制成，價格昂貴，且可能包含有毒元素，如砷和鉛。

與使用無機半導(dǎo)體的類似傳感器相比，這種新器件還提供更好的成像分辨率，可以看到更寬的短波紅外光譜，并且集成了2平方厘米的顯示尺寸。因為該傳感器采用薄膜工藝制造，因此可以輕松且廉價地按比例放大以制造更大的器件。

該圖像傳感器的另一個重要特點是可以有效地提供光學(xué)讀出圖像和電子讀數(shù)。例如，當研究人員將紅外光照射在受試者的手背上時，該圖像傳感器在記錄受試者心率的同時提供了受試者的血管圖像。

該圖像傳感器監(jiān)測心率的同時繪制人體血管圖像

在另一項演示中，研究人員在一個充滿煙霧的小房間里放置了一個帶有“EXIT”字母圖案的光掩模。他們還在硅片后面放置了一個印有“UCSD”字母圖案的光掩模。經(jīng)過實驗演示顯示，短波紅外光可以穿透煙霧和硅片，使得該圖像傳感器能夠看到上述字母圖案。

該圖像傳感器可以透過煙霧和硅片觀察光掩模上的字母圖案

美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員當前目標是提升他們的器件效率。這項研究工作得到了美國國家科學(xué)基金會和三星先進技術(shù)研究所的支持。相關(guān)論文發(fā)表于《Advanced Functional Materials》（www.doi.org/10.1002/adfm.202100565）。