新型合成材料打造全有机上转换器件，使短波红外光（SWIR）可见
2021-10-27 16:09:13   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

人类无法看见红外光。不过，响尾蛇、吸血蝙蝠等有些动物可以感知红外辐射，并利用它寻找食物。对人类来说，短波红外（SWIR）波段的视觉能力有时也非常有用：可以让人们在星光的夜晚看得清楚；使得机械师看出焊点的热度；帮助水果商贩挑出受损的农产品……

不过，红外光有一个“问题”，它们比可见光以及光谱另一端的紫外光“弱（能量低）”。因此，紫外光能使黑暗中的白衬衫发出很显眼的蓝色光（由于洗衣液中的某种荧光染料），但红外线就很难做到。这是因为荧光染料可以将高能光直接转换为低能光，但反过来就很困难。

芯片上的完整红外相机

因此红外相机需要精密的电子元件来捕捉红外光，再利用电子放大器及屏幕来显示人工生成的红外图像。这种设备通常价格高昂，目前工业用标准短波红外相机的价格需要数万元。

据麦姆斯咨询报道，瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）研究人员Roland Hany、Karen Strassel、Wei-Hsu和Michael Bauer，利用单个组件成功捕捉短波红外光并使其可见。EMPA开发的这款组件本质上就是一个带有三层附加层的OLED显示器。红外光通过导电玻璃板落在光电探测器的染料层上。在这里，电子开始迁移，再通过电压放大它们的运动。

然后，电荷迁移到OLED层，并在该层产生绿色光点。无需计算机进行电子信号处理，输入的短波红外光（不可见）便能“模拟”放大，并直接显示在OLED屏幕上。通过选择OLED中的染料，可以调整发射的可见光颜色（蓝色、绿色、黄色或红色）。

用于夜视和豆类筛选

短波红外波段在食品、物流或工艺生产中的应用广泛。例如，利用短波红外相机可以可视化焊点温度，监控新制造器具的冷却。短波红外光会使潮湿的物体看起来更暗，这对于咖啡豆或黑橄榄的分选很有用。而在短波红外相机看来，水果传送带上的石子和金属物体等杂质会发出明亮的光，便于筛出。

这项研究中短波红外显示的关键，是研究人员长期研究的一种特殊染料，即所谓的方酸内翁盐（squaraines）。该名称来源于化学分子方酸的基本结构。这类染料最早发现于20世纪60年代，其特点是颜色深沉和高温稳定性。

研究人员对方酸进行了化学修饰，使其在短波红外波段有吸收。Hany解释称：“现在，我们正在研究1000纳米左右有吸收的染料。不过，我们已经在探索更长波长的吸收，深入到红外波段。如果我们成功了，我们传感器检测水和水分的性能将比现在更好。”

寻找产业合作伙伴

Hany将他们研究团队一起开发的组件称为“有机上转换（organic upconversion）”器件。这是因为它将微弱的红外光转换为更强的可见光（“上转换”），并使用碳基化合物（“有机”）制成的薄层染料工作。目前，工业规模制造有机光电器件的know-how主要掌握在亚洲。不过，Hany相信他们的研究成果很快就能落地，“目前，我们正在努力提高组件的灵敏度和长期稳定性。”

延伸阅读：

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》