新型有机图像传感器实现片上集成红外探测器和OLED显示器

据麦姆斯咨询报道，近日，由美国加州大学圣地亚哥分校的电气工程师领导的一个科研小组项目介绍了一种将红外光转换成可见光图像的薄型传感器。通过测试表明，该图像传感器可以应用于：（1）透过烟雾观察环境；（2）透视硅片以检查电子芯片的质量和成分；（3）监测心率的同时绘制人体血管图像，而无需接触受试者的皮肤。

美国加州大学圣地亚哥分校研发的短波红外图像传感器

该图像传感器可探测光谱的短波红外部分。在实际应用中，成像系统先将短波红外光照射在感兴趣的物体或区域上，然后再将反射回系统的低能量短波红外光转换成人眼可以看到的波长更短、能量更高的可见光。

该科研小组开发的短波红外图像传感器将光电探测器和显示组件集成于一体。多个半导体层相互堆叠，每个半导体层的厚度约几百纳米。其中三层由不同的有机聚合物制成：光电探测器层、OLED显示层，以及位于光电探测器和OLED显示层之间的阻挡电子层。

该短波红外图像传感器组成及材料

光电探测器层吸收短波红外光或低能量光子，然后由于光电效应产生电流，再流向OLED显示层——电流被转换成可见光图像。阻挡电子层用于防止OLED显示层在上转换（Upconversion）过程中流失任何电流。这使得传感器能够产生更清晰的图像。

注：光子上转换（Photon Upconversion）是指吸收较长波长的两个或多个光子，激发出较短波长的光子的过程。它是反斯托克型的发光，这种类型的发光的例子就是将红外光转化为可见光，具有这一发光特性的材料被称作上转换发光材料，它通常含有d区或f区的元素。

这项研究工作的第一作者Ning Li介绍说：“上转换的好处是，可以在一个薄而紧凑的器件中实现红外光到可见光的直接转换。而在一个典型的红外成像系统中，你需要一个红外探测器阵列来收集数据，一台计算机来处理数据，以及一个单独的屏幕来显示数据。这就是为什么大多数现有红外成像系统的体积庞大、价格昂贵的原因。”

因为该图像传感器采用有机半导体制造而成，所以价格低廉、使用灵活，并且可应用于生物医学领域。当前正在使用的或以前使用的许多红外成像系统都是昂贵、笨重和复杂的；它们通常需要单独的成像相机和显示器，系统中的红外探测器主要由无机半导体制成，价格昂贵，且可能包含有毒元素，如砷和铅。

与使用无机半导体的类似传感器相比，这种新器件还提供更好的成像分辨率，可以看到更宽的短波红外光谱，并且集成了2平方厘米的显示尺寸。因为该传感器采用薄膜工艺制造，因此可以轻松且廉价地按比例放大以制造更大的器件。

该图像传感器的另一个重要特点是可以有效地提供光学读出图像和电子读数。例如，当研究人员将红外光照射在受试者的手背上时，该图像传感器在记录受试者心率的同时提供了受试者的血管图像。

该图像传感器监测心率的同时绘制人体血管图像

在另一项演示中，研究人员在一个充满烟雾的小房间里放置了一个带有“EXIT”字母图案的光掩模。他们还在硅片后面放置了一个印有“UCSD”字母图案的光掩模。经过实验演示显示，短波红外光可以穿透烟雾和硅片，使得该图像传感器能够看到上述字母图案。

该图像传感器可以透过烟雾和硅片观察光掩模上的字母图案

美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员当前目标是提升他们的器件效率。这项研究工作得到了美国国家科学基金会和三星先进技术研究所的支持。相关论文发表于《Advanced Functional Materials》（www.doi.org/10.1002/adfm.202100565）。