高效量子點上轉換探測器製備成功—新聞—科學網

2020-12-04 科學網
高效量子點上轉換探測器製備成功
或讓人們「看見紅外光」

 

4月1日，記者從上海科技大學獲悉，該校物質學院寧志軍課題組以膠體量子點材料為基礎，製備出一種新型、低成本、高探測率的紅外上轉換器件，展示了紅外上轉換器件在生物成像和可穿戴電子器件領域良好的應用前景。3月31日，該研究成果論文發表於《自然—電子學 》。

近紅外光電探測與成像器件在生物檢測、信息通訊、軍事、氣象等領域中有重要作用。傳統的成像器件需要紅外光電探測器與讀出電路集成，複雜的集成工藝限制了紅外成像系統的發展。紅外上轉換器件作為一種替代的解決方案，具有工藝簡單、無需與讀出電路集成的優點，可以將紅外光直接轉化為可見光成像。也就是說，通過紅外上轉換器件，我們可以直接「看見紅外光」。

將紅外光電探測器和可見光LED結合起來，通過「光—電—光」的線性轉化過程，將紅外光轉換為可見光，被認為最適用於紅外成像領域的探測器結構。然而，受限於紅光光電探測器部分較低的光子—電子轉化效率，紅外上轉換器件的整體光子—光子轉換效率較低。此外，目前已報導的紅外上轉換器件大多需要用高成本的真空沉積方法製備，且已報導的紅外上轉換器件的工作電壓很高，不利於製備柔性器件。

針對以上問題，寧志軍課題組以膠體量子點材料為基礎，製備出一種新型、低成本、高探測率的紅外上轉換器件。這種紅外上轉換器件的紅外吸收層和可見光發射層均採用了膠體量子點材料。受益於膠體量子點可溶液法處理的特性，除了最上面的電極，整個紅外上轉換器件全部採用溶液法製備，極大簡化了器件的製備。

為了提高紅外上轉換器件的光子對光子轉換效率，研究人員在ZnO電子傳輸層中引入了銀納米粒子。在無紅外光入射的情況下，ITO電極和氧化鋅之間有較大的勢壘，空穴無法從ITO注入到ZnO中，電流很小；在有紅外光入射時，光生電子會被Ag納米粒子捕獲並在ITO和ZnO的界面處聚集，界面聚集的電子增加了器件界面的能帶彎曲，減少了勢壘寬度，這樣ITO中的空穴大量隧穿注入到ZnO中，實現電流倍增。基於這種增益機制的膠體量子點紅外探測器外量子效率可以達到8000%，探測率達到6×1012Jones，響應速度在毫秒量級，與目前已報導的膠體量子點紅外光電探測最高性能相當。

同時，研究人員進一步將這種高效率的紅外光電探測器和膠體量子點發光二極體結合起來，製備了紅外上轉換器件並取得了6.5%的光子轉換效率。這在溶液法製備的兩端紅外上轉換器件中是最高的，而且器件啟動電壓僅為2.5V。研究人員探索了該器件在生物醫學成像領域的應用，通過用紅外光照射小鼠乳腺組織，在紅外上轉換器件的幫助下，正常組織和癌變組織可以清晰地分辨出來，展示了紅外上轉換器件在生物成像領域良好的應用前景。此外，該工作還首次製備了柔性紅外上轉換器件，有望應用於可穿戴電子器件。

據悉，該成果得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金和上海市科委的支持。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41928-020-0388-x

 

版權聲明：凡本網註明「來源：中國科學報、科學網、科學新聞雜誌」的所有作品，網站轉載，請在正文上方註明來源和作者，且不得對內容作實質性改動；微信公眾號、頭條號等新媒體平臺，轉載請聯繫授權。郵箱：shouquan@stimes.cn。

相關焦點

  • 中山大學製備出國際上最亮的軌道角動量單光子源—新聞—科學網
    記者從中山大學獲悉，該校物理學院教授王雪華、劉進團隊製備出國際上最亮的軌道角動量單光子源。
  • 科學網—用陽離子交換製備多種量子點
    本報訊（記者彭科峰）華中科技大學張道禮團隊在前期提出陽離子交換製備量子點的基礎上，再次在該領域取得重要進展。
  • 製備黑磷納米材料有了高效新方法—新聞—科學網
    尋求高效、低耗、清潔的固氮合成氨方法來替代能耗巨大的哈柏法一直是近幾年的研究熱點。 由於太陽能成本低廉，將太陽能轉換為產物化學能的光催化合成氨技術是一種比較理想的方式，而實現高效的光催化固氮的材料基礎是半導體光催化劑。黑磷是一種新型非金屬層狀直接帶隙半導體材料，具有高載流子遷移率、覆蓋從可見到中紅外的可調帶隙等獨特性質。
  • 新型微納光子晶體雷射器研製成功—新聞—科學網
    基於矽材料的光電元件，如矽波導、矽調製器、矽探測器等已比較成熟，但矽基雷射器一直沒有很大進展。因為矽是間接帶隙半導體，不適合作為雷射器的發光材料。 研究人員通過設計矽基量子點光子晶體雷射器外延結構，採用分子束外延方式在矽襯底上直接生長高質量的InAs量子點作為雷射器增益介質（發光材料），依託深圳市半導體雷射器重點實驗室平臺，成功製備了亞波長尺寸的超低閾值矽基光泵浦光子晶體雷射器晶片。
  • 科學家研製純相二維層狀鈣鈦礦太陽能電池—新聞—科學網
    同時基於液相法製備的二維層狀鈣鈦礦薄膜均由多相混合量子阱結構組成，即目標量子阱結構與實際獲得的多相混合量子阱結構有很大不同，薄膜中夾雜的其他多種鈣鈦礦相成分對鈣鈦礦器件的進一步應用有著很大的限制。 因此，科學家們長期致力於製備純相二維鈣鈦礦薄膜並研究其對於光電性能的影響。事實上，儘管鈣鈦礦前驅體溶液是嚴格按照化學計量比配置的，仍難以在沉積的過程中直接形成目標設計的純相量子阱薄膜。
  • 新技術讓太陽能電池在85℃下運行500小時—新聞—科學網
    南京工業大學先進材料研究院黃維院士團隊、教授陳永華團隊與澳門大學應用物理及材料工程研究院教授邢貴川合作
  • 鄭大溶液法製備出全無機鈣鈦礦量子點發光二極體—新聞—科學網
    of Solution-Processed All-Inorganic Heterostructure for Humidity/Temperature-Stable Perovskite Quantum Dot Light-Emitting Diodes」為題發表於國際權威期刊《美國化學會·納米》上（ACS Nano 12 (2), 1462–1472 (2018)，論文連結：https://pubs.acs.org
  • 玻璃中的鈣鈦礦量子點:光信息存儲又出「新星」—新聞—科學網
    近日，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室/材料科學與工程學院董國平教授團隊實現了以玻璃中形成的鈣鈦礦量子點作為關鍵材料，採用可逆3D雷射列印技術來實現光信息存儲，他們的工作發表在《自然-光子學》上。 光信息存儲材料「新星」 董國平認為，金屬滷素鈣鈦礦（MHP）在光電器件應用領域有兩個特點。
  • 科學網—製備出黑磷可控降解光熱轉換材料
    中科院深圳先進院等製備出黑磷可控降解光熱轉換材料   本報訊（見習記者丁寧寧 通迅員馮春）中國科學院深圳先進技術研究院研究員喻學鋒與深圳大學教授張晗、香港城市大學教授朱劍豪等合作，製備出基於黑磷的生物可降解光熱轉換材料，用於實現高效安全的腫瘤光熱治療。
  • 實現點突變小鼠高效製備—新聞—科學網
    本報訊（記者黃辛）中科院生化與細胞所李勁松研究組和第二軍醫大學附屬長徵醫院袁文課題組，結合CRISPR-Cas9基因編輯技術和半克隆技術，實現了點突變小鼠的高效製備
  • 中科院成功製備出黑磷可控降解光熱轉換材料
    中國證券網訊 10月10日從中科院官網獲悉，近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員喻學鋒與深圳大學教授張晗、香港城市大學教授朱劍豪等合作，成功製備出基於黑磷的生物可降解光熱轉換材料，用於實現高效安全的腫瘤光熱治療。
  • 零維非鉛鈣鈦礦單晶研製成功—新聞—科學網
    近日，中科院大連化學物理研究所劉生忠研究員團隊與陝西師範大學劉渝城博士、徐卓博士、楊周博士等合作，基於近年在高質量大尺寸鈣鈦礦單晶生長的技術積累和完備的科研平臺，成功設計相關成果發表在《物質》上。 鈣鈦礦材料是近年發展最快也是最熱門的半導體材料之一。與鈣鈦礦微晶薄膜相比，低缺陷態、高遷移率和更穩定的大尺寸鈣鈦礦單晶更適用於X射線等高能輻射探測。目前，已經有幾種三維/二維(3D/2D)鈣鈦礦單晶材料被用於X射線探測器，但存在很多不足。一是三維鈣鈦礦單晶具有高遷移率和大載流子擴散長度以及較高的載流子濃度，使得光電器件呈現很高的暗電流。
  • 完美單光子源「助力」量子精密測量—新聞—科學網
    中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等與美國普林斯頓大學、德國維爾茲堡大學等科學家合作，在同時具備高純度、高不可分辨、高效率的單光子源器件上觀察到強度壓縮，為基於單光子源的量子精密測量奠定了基礎
  • 科學家首次成功製備新型半導體異質結材料—新聞—科學網
    上海科技大學物質科學與技術學院教授於奕課題組與美國普渡大學研究團隊合作，在新型半導體異質結研究中取得重要進展，首次成功製備並表徵了二維滷化物鈣鈦礦橫向外延異質結
  • 共軛小分子「電荷驅動器」助力高效鈣鈦礦量子點太陽能電池
    共軛小分子「電荷驅動器」助力高效鈣鈦礦量子點太陽能電池北極星太陽能光伏網訊:與傳統硫族量子點材料相比，滷素鈣鈦礦量子點材料由於其優越的光電性質，近年來受到研究人員的廣泛關注。但是由於其量子限域效應導致其電荷分離效率較低，從而限制了其太陽能電池的光電轉換效率。近日，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的楊陽（點擊查看介紹）團隊通過引入共軛小分子來提供額外的電荷分離驅動力，從而減少載流子複合以實現高效率的鈣鈦礦量子點太陽能電池。在傳統量子點電池領域中，提高電荷分離的策略主要有：設計合理的核殼結構、表面配體的處理、器件結構的合理設計等。
  • AEnM:高效穩定的硫化鉛量子點墨水用於近紅外太陽能電池
    能源是人類賴以生存的驅動力，但地球上的能源儲存又是有限的。
  • 中科院大化所製備出高靈敏非鉛鈣鈦礦光電探測器—新聞—科學網
    光電探測器在信號處理、通訊、生物成像等諸多領域發揮著重要作用。
  • 製備出新型透明自供電紫外探測器—新聞—科學網
    本報訊（記者張行勇）西安交通大學材料學院教授汪宏課題組與復旦大學、南方科技大學與美國賓州州立大學科研人員合作，研製出一種用於高性能通訊系統的透明自供電超快紫外探測器
  • 濟南量子技術研究院成功研製國際首個集成化多通道量子頻率轉換晶片
    齊魯網·閃電新聞9月15日訊 近日，濟南量子技術研究院與中國科學技術大學合作，成功研製出國際首個集成化的多通道量子頻率轉換晶片。該晶片基於逆向質子交換的周期性極化鈮酸鋰波導（PPLN），實現了多通道光子非線性頻率轉換，且頻率轉換過程中保持光子的量子特性不變。
  • 歐司朗創新量子點光轉換技術讓LED更高效
    Osconiq S 3030 QD在高顯色指數下呈現卓越效能 近日，歐司朗推出了新型中功率LED Osconiq S 3030 QD，此產品是歐司朗旗下首款使用量子點光轉換技術的LED，專為區域照明和筒燈應用所研發，能夠賦予燈具更高效、更卓越的顯色性能。