近日，由美國加州大學圣地亞哥分校的電氣工程師領(lǐng)導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。多個半導體層相互堆疊，每個半導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體制造而成，所以價格低廉、使用靈活，并且可應用于生物醫(yī)學領(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）。