紅外探測器在環(huán)境監(jiān)測、軍事、生物等領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用潛力，特別是紅外上轉(zhuǎn)換器件無需后端讀出電路制備簡單成本較低，成為目前探測領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。遺憾的是，受限于目前上轉(zhuǎn)換器件的低光光轉(zhuǎn)換效率、高能耗、弱光響應(yīng)較差以及成像線性動(dòng)態(tài)范圍（I-LDR，工作在開啟狀態(tài)），高質(zhì)量的上轉(zhuǎn)換成像幾乎沒有報(bào)道。在過去的二十年中，已經(jīng)開發(fā)了基于有機(jī)、無機(jī)和有機(jī)/無機(jī)雜化半導(dǎo)體的各種上轉(zhuǎn)換器件，無機(jī)上轉(zhuǎn)換器件中發(fā)射和探測單元之間通常需要晶格匹配和晶圓融合技術(shù)，因此存在光光轉(zhuǎn)換效率低和制造成本高的問題。有機(jī)/無機(jī)雜化上轉(zhuǎn)換器件集成了有機(jī)發(fā)光二極管和無機(jī)光電探測器，可以通過更方便的制備過程實(shí)現(xiàn)更高的光光轉(zhuǎn)換效率，但它們受高結(jié)合能的影響，因此在弱光檢測中表現(xiàn)不佳。

電子科技大學(xué)王軍教授、陶斯祿教授針對這一挑戰(zhàn)進(jìn)行了探索。它們通過堆疊高性能有機(jī)紅外探測器和界面exciplex有機(jī)發(fā)光單元，設(shè)計(jì)了一種紅外上轉(zhuǎn)換光電探測器，其寬帶探測區(qū)域從400到1064 nm。實(shí)現(xiàn)了可以在1.56V極低電壓工作的開關(guān)比超過85000的高性能紅外上轉(zhuǎn)換器件，同時(shí)具有弱光探測能力以及超過84dB的成像線性動(dòng)態(tài)范圍。利用高分辨率以及高線性動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)了多種較厚的生物樣本成像與識(shí)別，特別是細(xì)胞種群類別如破骨細(xì)胞種群分辨，這些優(yōu)異的結(jié)果將為未來低能耗高質(zhì)量的近紅外生物成像應(yīng)用提供了新思路。

圖 器件結(jié)構(gòu)與近紅外生物成像

作者們率先利用界面激基復(fù)合物制造上轉(zhuǎn)換器件，獲得了12.92%的高光-光轉(zhuǎn)換效率、285 lm W-1的高功率效率和1.56 V的極低開啟工作電壓（在另一個(gè)系統(tǒng)中甚至更低的1.3 V）。獨(dú)立探測單元的探測D*接近6×1012 Jones，對應(yīng)0.46 A/W的響應(yīng)度。并且最大Voc顯示接近0.6 V，以減輕發(fā)光單元的功耗。上轉(zhuǎn)換器件 顯示出低至3.2 μW cm-2的出色弱光檢測能力，比相關(guān)報(bào)道的上轉(zhuǎn)換器件低 1-2個(gè)數(shù)量級。由于低開啟工作電壓和優(yōu)異的檢測能力，上轉(zhuǎn)換器件高達(dá)84.4 dB的成像線性動(dòng)態(tài)范圍首次被討論和報(bào)道，為近紅外成像提供了參考。上轉(zhuǎn)換器件的低能耗和高成像線性動(dòng)態(tài)范圍保證了高質(zhì)量和強(qiáng)穿透力的近紅外生物成像，特別是在厚生物樣品中表現(xiàn)出優(yōu)越性和高分辨率，在無創(chuàng)缺陷檢測和病理動(dòng)態(tài)監(jiān)測方面具有巨大潛力。

電子科技大學(xué)王軍教授、陶斯祿教授為本論文共同通信作者，博士后杜曉揚(yáng)和博士生韓嘉悅為該論文共同第一作者，此研究得到國家自然科學(xué)基金等資助支持。