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有机光转换元件实现自然夜视能力

通信行业技术军团
2017-02-17
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日本九州大学(Kyushu University)最近展示一种完全有机且易于将薄膜近红外光(NIR)处理成可见光的转换元件,能够在整个可见光范围内调谐其输出。

这项研究主题为“利用NIR感测为有机光转换元件调谐全彩电致发光”(Tunable Full-Color Electroluminescence from All-Organic Optical Upconversion Devices by Near-Infrared Sensing)的论文发表于《ACS Photonics》期刊,文中描述研究人员决定寻找让裸眼能在近红外光中“看得见”的直接转换机制,其方式是在裸眼前直接加入金属薄层,从而取代昂贵的III-V化合物半导体感测器以及商用NIR成像应用中的芯片读取电路。

为了设计大面积的无画素NIR成像应用,研究人员们着眼于完全有机的光转换系统,在单一元件中堆叠OLED(作为次级发射器)以及光侦测器。

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研究人员并利用先前研究的高效率、不含贵金属的OLED——取决于内部电致发光(EL)效率高达100%的热活化延迟荧光(TADF),同时结合TADF-OLED以及具NIR灵敏度的异质接面电荷产生层(CGL)。

NIR转可见光(NIR-to-visible)的转换操作原理

在没有NIR照射的条件下,OLED透过沉积于ITO阳极和CGL之间的薄电洞阻障层(HBL),保持在关断状态。当NIR光源照射时,CGL可以吸收入射的NIR光线并产生电洞和电子,电洞与电子则沿着外部施加的偏压连续传输到各个不同的电极,接着,光产生的电洞被注入电洞传输层(HTL),并重新结合来自发射层(EML)内部Al阴极注入的电子,从而输出经转换的可见光。

基于TADF-OLED的有机‘NIR-可见光’转换元件示意图,以及该元件中用于代表有机半导体材料的化学结构

因此,在NIR照射时,该元件堆叠直接发射裸眼就能看到的光,而无需使用任何读取电路或任何形式的显示器。研究人员藉由TADF-OLED组合中的不同的分子证实,这种转换元件能够在整个可见光范围(从蓝光、红光到白光)调谐输出。

该转换元件分别在黑暗(关闭)与NIR照明(开启)环境下的操作原理

‘NIR-绿光’转换元件在10V驱动电压下透过富士山形状的掩码在薄膜上照射810nm的NIR光源

由九州大学稻盛开拓者研究中心(INAMORI Frontier Research Center)教授安田琢麿(Takuma Yasuda)带领的研究团队制造出一款面积为400平方公厘(mm^2)的转换元件,其中包含一个绿光TADF发射器。透过富士山(Mount Fuji)形状的图案光罩在薄膜上照射NIR光源,研究人员取得了绿色对比的可见光图像。该原型在100mWcm^-2的NIR功率密度下,其亮度可达到超过150cdm^−2(产生12%的外部EL量子效率)。

该薄膜元件包括金属电极与整个有机堆叠的厚度还不到0.4µm,因此在日光下呈半透明状,或者可用透明电极进行处理,使其在关闭状态时实际上是透明的。因此,研究人员预计,这种薄膜元件可望应用于头盔遮阳板或汽车挡风玻璃,以便增强驾驶人的自然夜视能力。

‘NIR-白光’转换元件

“这些转换元件在现阶段是不透明的,因为我们使用100nm厚的Al层作为阴极。但我们可以使用更薄的金属阴极制造半透明的元件,也可以使用塑料基底生产软性元件,”Yasuda并补充说,这些研究结果显示该元件仍处于非常基本的开发阶段。

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