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基于镧系掺杂的核壳结构上转换纳米粒子的近红外光探测器


  来源: MEMS 时间:2022-12-28 编辑:仪器仪表WXF
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根据日本科学技术振兴机构(以下简称:JST)战略研究项目PRESTO,帝京科学大学(Teikyo University of Science)的Ayumi Ishii副教授团队开发了一种新型近红外光传感器,可将微弱的近红外光转换为可见光。



图1 利用钙钛矿包覆的上转换纳米粒子(UCNP) ,制备了一种具有强近红外吸收和高UC效率的钙钛矿型近红外光探测器(来源:JST)


如今,近红外光在日常生活中有着广泛的应用,比如红外摄像机(夜视摄像机)、红外通信(无线通信)、光纤通信、遥感和生物计量学等。近红外区域弱光的探测和灵敏度的提高对于光通信技术、医学诊断、环境监测和其他领域的发展是不可或缺的。


半导体化合物(如InGaAs)具有900–1700nm的光学带隙,可用于探测近红外区域的光。然而,由于复杂的制造过程和稀有金属的掺杂,这些系统成本极高,并且受到噪声干扰的限制。此外,与硅(Si)和其它化合物相比,这种半导体无法获得可与其比拟的可见光探测精度。


基于此,该团队开发出基于镧系元素掺杂的核壳结构上转换纳米粒子,这种粒子能够高效地将弱红外光转换成可见光。此外,通过开发一种近红外光探测器(光电二极管),将这些纳米粒子与对可见光有响应的无机半导体材料(卤化铅钙钛矿)相结合,他们成功将难以探测的弱近红外光转化为电信号,转换效率可达75%。


通过这种新颖、低成本、简单的技术将近红外光(被认为难以以高灵敏度探测到)转换成可以利用现有材料和技术高精度探测的可见光,该团队在弱近红外光探测效率方面取得了极大的进展。


因此,该成果展示了一种资源节约型近红外探测方法,利用纳米材料将低能近红外光转换为高能可见光,从而提高了光学传感器的近红外光接收灵敏度,以及太阳能电池等人工光合作用的太阳光转换效率。以上结果已以“Upconverting Near-Infrared Light Detection in Lead Halide Perovskite with Core–Shell Lanthanide Nanoparticles”为题发表在期刊Advanced Photonics Research上。


在JST战略基础研究计划PRESTO “全控制光子及其在新时代创造中的积极应用”领域的“单光子传感器的有机-无机混合接口的开发”研究项目支持下,该团队与桐荫横滨大学(Toin University of Yokohama)特聘教授Tsutomu Miyasaka合作,计划通过超灵敏光探测(包括单光子水平),克服光接收、测量和成像等感测功能的局限性。


通过采用有机和无机材料表面融合的材料-化学方法,该研究的目标是开发多功能、高灵敏度的光探测器,使其在单光子水平上最大限度地提供光的信息(如波长、各向异性等)。

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