科學(xué)通報(bào) | 西南大學(xué)雷衍連團(tuán)隊(duì)綜述基于光電上轉(zhuǎn)換的紅外可視化探測(cè)研究

自然界充滿了人眼無(wú)法直接感知的信息。人類的視覺(jué)系統(tǒng)僅能響應(yīng)380-780 nm的可見(jiàn)光，而大量富含關(guān)鍵信息的紅外輻射，則長(zhǎng)期沉寂于人類的“視覺(jué)盲區(qū)”之中。突破這一生理極限，實(shí)現(xiàn)紅外的實(shí)時(shí)、直觀可視化，對(duì)于推動(dòng)前沿科技發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。然而，傳統(tǒng)的紅外成像技術(shù)（如InGaAs焦平面陣列）雖性能優(yōu)異，但其復(fù)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(chǎng)景中的應(yīng)用。在此背景下，基于光電上轉(zhuǎn)換的紅外可視化探測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它提供了一種顛覆性的解決方案。

近日，西南大學(xué)雷衍連團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表了題為“基于光電上轉(zhuǎn)換的紅外可視化探測(cè)研究進(jìn)展”的綜述文章，系統(tǒng)梳理了該領(lǐng)域的材料體系、器件結(jié)構(gòu)、研究進(jìn)展與應(yīng)用場(chǎng)景，并對(duì)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了前瞻性展望。

圖1 基于光電上轉(zhuǎn)換的紅外可視化成像技術(shù)的研究進(jìn)展

文章首先構(gòu)筑了該技術(shù)的理論基礎(chǔ)，系統(tǒng)梳理了其核心材料體系與器件架構(gòu)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(kāi)：有機(jī)半導(dǎo)體材料成本低、柔性佳，但探測(cè)波段較窄；量子點(diǎn)（如PbS、HgTe）可通過(guò)改變尺寸來(lái)調(diào)節(jié)探測(cè)范圍，輕松覆蓋短波紅外，但其重金屬成分帶來(lái)的毒性問(wèn)題不容忽視；新興的鈣鈦礦材料光電性能卓越，但穩(wěn)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(jié)構(gòu)方面，文章詳細(xì)解析了“空穴控制”與“電子控制”兩類主流架構(gòu)，并深入揭示了其工作機(jī)制。這種精妙的“光-電-光”轉(zhuǎn)換機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)高性能可視化的核心。

隨后，文章著重闡述了該技術(shù)領(lǐng)域令人矚目的研究進(jìn)展與廣泛的應(yīng)用突破。在材料體系創(chuàng)新的有力支撐下，紅外上轉(zhuǎn)換器件的性能實(shí)現(xiàn)了跨越式提升。其中，有機(jī)上轉(zhuǎn)換器件在效率和分辨率方面不斷刷新紀(jì)錄，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力；量子點(diǎn)器件則成功將探測(cè)范圍擴(kuò)展至中紅外波段，顯著拓寬了技術(shù)的適用場(chǎng)景；而多單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，更是通過(guò)提升載流子利用效率，實(shí)現(xiàn)了器件性能的倍增，為開(kāi)發(fā)低功耗、高性能的可視化系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。基于以上技術(shù)的突破，紅外上轉(zhuǎn)換器件已在多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出巨大潛力。在醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，它被用于無(wú)創(chuàng)采集脈搏波信號(hào)、繪制清晰的手臂靜脈血管圖譜。在可穿戴電子領(lǐng)域，半透明的“上轉(zhuǎn)換護(hù)目鏡”和“防偷拍”檢測(cè)儀已被成功演示，能夠?qū)崟r(shí)顯示紅外激光雷達(dá)信號(hào)。在光通信與加密領(lǐng)域，研究者構(gòu)建了由上轉(zhuǎn)換器件組成的通信鏈路來(lái)傳輸文本信息，并能讀取隱藏在多層薄膜下的加密內(nèi)容，凸顯了其在信息安全方面的價(jià)值。

最后，文章客觀地總結(jié)了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，并清晰地展望了未來(lái)的發(fā)展方向。文章明確指出，該技術(shù)在邁向商業(yè)化過(guò)程中仍需攻克三大瓶頸：（1）材料性能局限，如有機(jī)材料響應(yīng)波段不足、量子點(diǎn)材料的毒性問(wèn)題；（2）效率與穩(wěn)定性不足，整體上轉(zhuǎn)換效率仍有巨大提升空間，且器件在長(zhǎng)期工作下的穩(wěn)定性有待提高；（3）制備工藝復(fù)雜，特別是溶液法大面積制備高質(zhì)量多層膜結(jié)構(gòu)仍面臨技術(shù)壁壘。

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，作者提出了明確的未來(lái)研究路徑：開(kāi)發(fā)新型窄帶隙、環(huán)境友好的材料；通過(guò)能帶工程優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升電荷利用效率；發(fā)展噴墨打印、卷對(duì)卷制造等先進(jìn)低溫工藝，以實(shí)現(xiàn)低成本、大面積制造。通過(guò)跨學(xué)科的協(xié)同創(chuàng)新，這項(xiàng)技術(shù)有望在不久的將來(lái)，真正讓我們的“視野”超越天生局限，為醫(yī)療診斷、人機(jī)交互和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域帶來(lái)革命性變化。

文章信息

胡遠(yuǎn)鴻, 梁佳欣, 陳歷相, 雷衍連*. 基于光電上轉(zhuǎn)換的紅外可視化探測(cè)研究進(jìn)展. 科學(xué)通報(bào), 2026, 71(5-6): 1240–1254

doi: 10.1360/CSB-2025-5519

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