日本九州大學(Kyushu University)最近展示一種完全有機且易於將薄膜近紅外光(NIR)處理成可見光的轉換元件,能夠在整個可見光範圍內調諧其輸出。

這項研究主題為「利用NIR感測為有機光轉換元件調諧全彩電致發光」(Tunable Full-Color Electroluminescence from All-Organic Optical Upconversion Devices by Near-Infrared Sensing)的論文發表於《ACS Photonics》期刊,文中描述研究人員決定尋找讓裸眼能在近紅外光中「看得見」的直接轉換機制,其方式是在裸眼前直接加入金屬薄層,從而取代昂貴的III-V化合物半導體感測器以及商用NIR成像應用中的晶片讀取電路。

為了設計大面積的無畫素NIR成像應用,研究人員們著眼於完全有機的光轉換系統,在單一元件中堆疊OLED(作為次級發射器)以及光偵測器。

研究人員並利用先前研究的高效率、不含貴金屬的OLED——取決於內部電致發光(EL)效率高達100%的熱活化延遲螢光(TADF),同時結合TADF-OLED以及具NIR靈敏度的異質接面電荷產生層(CGL)。

20170207 NIR NT01P1 NIR轉可見光(NIR-to-visible)的轉換操作原理

在沒有NIR照射的條件下,OLED透過沉積於ITO陽極和CGL之間的薄電洞阻障層(HBL),保持在關斷狀態。當NIR光源照射時,CGL可以吸收入射的NIR光線並產生電洞和電子,電洞與電子則沿著外部施加的偏壓連續傳輸到各個不同的電極,接著,光產生的電洞被注入電洞傳輸層(HTL),並重新結合來自發射層(EML)內部Al陰極注入的電子,從而輸出經轉換的可見光。

20170207 NIR NT01P2 基於TADF-OLED的有機‘NIR-可見光’轉換元件示意圖,以及該元件中用於代表有機半導體材料的化學結構

因此,在NIR照射時,該元件堆疊直接發射裸眼就能看到的光,而無需使用任何讀取電路或任何形式的顯示器。研究人員藉由TADF-OLED組合中的不同的分子證實,這種轉換元件能夠在整個可見光範圍(從藍光、紅光到白光)調諧輸出。

20170207 NIR NT01P3 該轉換元件分別在黑暗(關閉)與NIR照明(開啟)環境下的操作原理

20170207 NIR NT01P4 ‘NIR-綠光’轉換元件在10V驅動電壓下透過富士山形狀的遮罩在薄膜上照射810nm的NIR光源

由九州大學稻盛開拓者研究中心(INAMORI Frontier Research Center)教授安田琢麿(Takuma Yasuda)帶領的研究團隊製造出一款面積為400平方公厘(mm^2)的轉換元件,其中包含一個綠光TADF發射器。透過富士山(Mount Fuji)形狀的圖案光罩在薄膜上照射NIR光源,研究人員取得了綠色對比的可見光影像。該原型在100mWcm^-2的NIR功率密度下,其亮度可達到超過150cdm^−2 (產生12%的外部EL量子效率)。

該薄膜元件包括金屬電極與整個有機堆疊的厚度還不到0.4µm,因此在日光下呈半透明狀,或者可用透明電極進行處理,使其在關閉狀態時實際上是透明的。因此,研究人員預計,這種薄膜元件可望應用於頭盔遮陽板或汽車擋風玻璃,以便增強駕駛人的自然夜視能力。

20170207 NIR NT01P5 ‘NIR-白光’轉換元件

「這些轉換元件在現階段是不透明的,因為我們使用100nm厚的Al層作為陰極。但我們可以使用更薄的金屬陰極製造半透明的元件,也可以使用塑料基底生產軟性元件,」Yasuda並補充說,這些研究結果顯示該元件仍處於非常基本的開發階段。

「目前,我們還沒打算讓這些元件為實際的應用商業化,但在未來將會逐步測試一些有幫助的應用。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Looking for natural night vision,by Julien Happich)