自然界充滿了人眼無法直接感知的信息。人類的視覺系統僅能響應380-780 nm的可見光,而大量富含關鍵信息的紅外輻射,則長期沉寂于人類的“視覺盲區”之中。突破這一生理極限,實現紅外的實時、直觀可視化,對于推動前沿科技發展具有至關重要的意義。然而,傳統的紅外成像技術(如InGaAs焦平面陣列)雖性能優異,但其復雜的讀出電路、高昂的制造成本以及固有的剛性,限制了其在柔性、可穿戴及低成本可視化場景中的應用。在此背景下,基于光電上轉換的紅外可視化探測技術應運而生,它提供了一種顛覆性的解決方案。
近日,西南大學雷衍連團隊在《科學通報》發表了題為“基于光電上轉換的紅外可視化探測研究進展”的綜述文章,系統梳理了該領域的材料體系、器件結構、研究進展與應用場景,并對未來發展進行了前瞻性展望。
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圖1 基于光電上轉換的紅外可視化成像技術的研究進展
文章首先構筑了該技術的理論基礎,系統梳理了其核心材料體系與器件架構的工作原理。文章指出,目前的研究主要圍繞四大材料體系展開:有機半導體材料成本低、柔性佳,但探測波段較窄;量子點(如PbS、HgTe)可通過改變尺寸來調節探測范圍,輕松覆蓋短波紅外,但其重金屬成分帶來的毒性問題不容忽視;新興的鈣鈦礦材料光電性能卓越,但穩定性是最大短板;而二維材料則以其超薄特性,為制備透明器件提供了可能。器件結構方面,文章詳細解析了“空穴控制”與“電子控制”兩類主流架構,并深入揭示了其工作機制。這種精妙的“光-電-光”轉換機制,是實現高性能可視化的核心。
隨后,文章著重闡述了該技術領域令人矚目的研究進展與廣泛的應用突破。在材料體系創新的有力支撐下,紅外上轉換器件的性能實現了跨越式提升。其中,有機上轉換器件在效率和分辨率方面不斷刷新紀錄,展現出巨大的應用潛力;量子點器件則成功將探測范圍擴展至中紅外波段,顯著拓寬了技術的適用場景;而多單元串聯結構的創新設計,更是通過提升載流子利用效率,實現了器件性能的倍增,為開發低功耗、高性能的可視化系統奠定了堅實基礎。基于以上技術的突破,紅外上轉換器件已在多個應用場景中展現出巨大潛力。在醫療監測領域,它被用于無創采集脈搏波信號、繪制清晰的手臂靜脈血管圖譜。在可穿戴電子領域,半透明的“上轉換護目鏡”和“防偷拍”檢測儀已被成功演示,能夠實時顯示紅外激光雷達信號。在光通信與加密領域,研究者構建了由上轉換器件組成的通信鏈路來傳輸文本信息,并能讀取隱藏在多層薄膜下的加密內容,凸顯了其在信息安全方面的價值。
最后,文章客觀地總結了當前面臨的挑戰,并清晰地展望了未來的發展方向。文章明確指出,該技術在邁向商業化過程中仍需攻克三大瓶頸:(1)材料性能局限,如有機材料響應波段不足、量子點材料的毒性問題;(2)效率與穩定性不足,整體上轉換效率仍有巨大提升空間,且器件在長期工作下的穩定性有待提高;(3)制備工藝復雜,特別是溶液法大面積制備高質量多層膜結構仍面臨技術壁壘。
面對這些挑戰,作者提出了明確的未來研究路徑:開發新型窄帶隙、環境友好的材料;通過能帶工程優化器件結構,進一步提升電荷利用效率;發展噴墨打印、卷對卷制造等先進低溫工藝,以實現低成本、大面積制造。通過跨學科的協同創新,這項技術有望在不久的將來,真正讓我們的“視野”超越天生局限,為醫療診斷、人機交互和環境監測等領域帶來革命性變化。
文章信息
胡遠鴻, 梁佳欣, 陳歷相, 雷衍連*. 基于光電上轉換的紅外可視化探測研究進展. 科學通報, 2026, 71(5-6): 1240–1254
doi: 10.1360/CSB-2025-5519
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