CN109870238A - 基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件及成像方法 - Google Patents

基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件及成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半导体量子点和液晶的红外‑可见光图像上转换器件及成像方法，从上往下依次包括上基板、可见光遮光层、红外透明电极、半导体量子点光电活性层、可见光反光层、液晶上取向层、液晶层、液晶下取向层、可见光透明电极、下基板、偏光片、可见光照射光源；在红外透明电极与可见光透明电极之间加载交变电压信号，从而在红外‑可见光图像上转换器件中构建偏置电场。本发明将红外探测结构和液晶显示结构集成，实现了探测单元对显示像素的直接耦合，将入射的红外图像直接转换为可见光图像；制备时不需要像素化电极，也不需要复杂的探测信号读出电路和显示信号驱动电路，极大地简化了制备过程和器件结构，降低了制备成本。

Description

基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件及 成像方法
技术领域
本发明涉及一种红外图像探测并形成可见光图像显示的方法和系统结构，尤其涉及一种基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件及成像方法。
背景技术
红外探测和成像在安全监控、医疗诊断、国家安全以及目标制导等领域有重要的应用。因为红外光子的波长超出了人的肉眼敏感区域，所以人眼不能直接观察到红外图像。在红外探测和成像过程中，需要利用探测器或者传感器阵列将接收到的红外光子信号转换为电信号，并通过信号的传递和信息处理，再将该电信号通过显示器转换为可见光图像。
目前商用化的红外探测器大都以II-VI族或者III-V族化合物半导体晶体，如HgCdTe和InGaAs等，作为光电转换活性材料，通过倒装焊等将探测靶面连接CMOS读出电路。这些探测器件都需要经过晶体材料外延生长和其它一些高温制备过程。而光电显示器件的基础材料和器件制备则与探测器大不相同。以平板显示的主流液晶显示器为例，该器件利用液晶层对照射光的光阀调控效应实现图像显示，器件主要制备工艺为低温真空镀膜或者室温凸版印刷等。由于现有的光探测器件和光电显示器件的基础功能材料、基本器件结构和制备工艺都不兼容，所以无法将光电探测器件和光电显示器件集成在同一衬底上。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件及成像方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件，从上往下依次包括上基板、可见光遮光层、红外透明电极、半导体量子点光电活性层、可见光反光层、液晶上取向层、液晶层、液晶下取向层、可见光透明电极、下基板和偏振片；其中，液晶下取向层、可见光透明电极、下基板和偏振片构成可见光图像显示组件；上基板、可见光遮光层、红外透明电极、半导体量子点光电活性层、可见光反光层和液晶上取向层构成红外图像探测组件；所述红外透明电极、可见光透明电极分别与交流驱动电源的两个电极相连接；所述红外图像探测组件，红外光从上至下入射到半导体量子点活性层，红外光子信号被转换为电荷信号储存于液晶下取向层；所述可见光图像显示组件，照射光从下至上入射，将储存于液晶下取向层的电荷信号转换为可见光强度信号。
进一步地，所述上基板为对红外光子吸收较小的材料，可以是红外透明的玻璃基板或柔性塑料基板。
进一步地，所述可见光遮光层可以透过红外光子，并阻挡可见光子的穿透。
进一步地，半导体量子点活性光电层为Pbs、PbSe或HgTe，能带间隙较小，可以吸收红外光子，并通过光电效应产生电子空穴对。
进一步地，所述可见光反射层可以完全反射从下方传递上来的照射可见光。
进一步地，可见光图像显示组件为反射式液晶显示器件，液晶层上所施加的电场由红外图像探测组件所产生的电荷积累进行调控。
进一步地，红外透明电极和可见光透明电极为透明的氧化铟锡(ITO)电极或掺氟氧化锡(FTO)电极。
一种基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件的制备方法，包括：
(1)在上基板上采用溅射的方法制备可见光遮光层，进一步在可见光遮光层上蒸发或者溅射制备红外透明电极，进一步在红外透明电极上旋涂制备半导体量子点光电活性层，进一步在半导体量子点光电活性层上蒸发制备可见光反光层，进一步在可见光反光层上旋涂制备液晶取向层，进一步通过摩擦或者光控取向方法对液晶取向层取向，得到液晶上取向层；
(2)在下基板的上表面溅射制备可见光透明电极，进一步在可见光透明电极上旋涂制备液晶取向层，进一步通过摩擦或者光控取向方法对液晶取向层取向，得到液晶下取向层；
(3)将上基板与下基板组合，形成液晶盒，并采用常规灌晶方法灌注液晶形成液晶层；
(4)在下基板的下表面组装偏振片构成红外-可见光图像上转换器件。
一种基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件的成像方法，包括：当红外光从上至下照射到红外图像探测组件，根据不同区域红外光的不同强度，通过半导体量子点光电活性层在相对应的区域产生不同的光生电流，光生电流在液晶上取向层形成和红外图像相对应的电荷分布；红外图像所产生的电荷分布在可见光图像显示组件形成对应的空间电场分布，进一步对液晶层的电光性能进行调控，照射可见光穿过被调控的液晶层后，经过反光层反射形成可见光图像显示，实现红外图像至可见光图像的上转换。
有益效果：本发明的基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件的绝大部分组件都在片内集成，外围驱动电路得以很大地简化。同时，基于量子点纳米材料的探测单元(即红外探测部分)和显示单元(即可见光显示部分)都可以通过溶胶-凝胶法以及薄膜蒸镀的方法在塑料等柔性衬底上制备，实现大面积的探测/显示阵列集成，减轻系统的重量和厚度。
本发明的基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件可以实现探测单元和显示单元的片内集成，可以形成探测单元-显示单元的一一对应，避免了分离式光电探测-显示系统探测信号需要并行探测-串行读出-串行传输-并行信号转换-显示驱动的复杂过程，有更多的有效时间用于光探测信号的积累，从而极大地提高光探测灵敏度。
本发明的基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件通过量子点光电活性层将红外图像的强度分布转换为电荷分布，进一步转换为液晶显示部分的电场分布，最后实现可见光图像的重构。在本发明的基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件中，电极不需要像素图案化，也不需要探测信号读出电路和显示信号的驱动电路，器件结构简单，制备成本低廉。
附图说明
图1是基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件截面图；
图2是基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件俯视剖面图；
图3是红外图像探测组件部分的光生电子空穴对分离和电荷积累；
图4是可见光显示部分电场调控液晶电光特性。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明的基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件，从上往下依次包括上基板11、可见光遮光层10、红外透明电极9、半导体量子点光电活性层8、可见光反光层7、液晶上取向层6、液晶层5、液晶下取向层4、可见光透明电极3、下基板2和偏振片1。其中，1～6构成可见光图像显示组件13，是基于液晶的可见光图像显示部分；6～11构成红外图像探测组件12，是基于半导体量子点的红外图像探测部分。红外透明电极9、可见光透明电极33分别与交流驱动电源的两个电极相连接。
红外图像探测组件12，红外光从上至下入射到半导体量子点活性层8，红外光子信号被转换为电荷信号储存于液晶下取向层6；可见光图像显示组件13，照射光从下至上入射到可见光图像显示组件13，将储存于液晶下取向层6的电荷信号转换为可见光强度信号。
上基板11为对红外光子吸收较小的材料构成，为红外透明的玻璃基板或者柔性塑料基板。可见光遮光层10需要能够透过红外光子，但是必须阻挡可见光子，以防止可见光对红外图像的干扰。半导体量子点活性光电层8为Pbs、PbSe以及HgTe等量子点，其能带间隙小于1.55eV(800nm的红外光子能量)，这些半导体量子点可以吸收红外光子，并通过光电效应产生电子空穴对。可见光反射层7可以完全反射从下方传递上来的照射可见光，避免该可见光对上方的量子点光电转换层产生影响。可见光图像显示组件13实质为反射式液晶显示器件，液晶层上所施加的电场由红外图像探测组件12所产生的电荷积累进行调控。透明电极为透明的氧化铟锡(ITO)电极或者掺氟氧化锡(FTO)电极。
如图1和图2所示，本发明基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件的制备方法，包括：
(1)在上基板11上采用溅射的方法制备可见光遮光层10，进一步在可见光遮光层10上蒸发或者溅射制备红外透明电极9，进一步在红外透明电极9上旋涂制备半导体量子点光电活性层8，进一步在半导体量子点光电活性层8上蒸发制备可见光反光层7，进一步在可见光反光层7上旋涂制备液晶取向层，进一步通过摩擦或者光控取向等方法对液晶取向层取向，得到液晶上取向层6；
(2)在下基板2的上表面溅射制备可见光透明电极3，如ITO和FTO等，进一步在可见光透明电极3上旋涂制备液晶取向层，进一步通过摩擦或者光控取向方法对液晶取向层取向，得到液晶下取向层4；
(3)将上基板11与下基板2组合，形成液晶盒，并采用常规灌晶方法灌注液晶形成液晶层5；
(4)在下基板2的下表面组装偏振片1构成红外-可见光图像上转换器件。
本发明基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件的成像方法，当红外光从上至下照射到红外图像探测组件12，根据不同区域红外光的不同强度，通过半导体量子点光电活性层8在相对应的区域产生不同的光生电流，光生电流在液晶上取向层6形成和红外图像相对应的电荷分布；红外图像所产生的电荷分布在可见光显示部分形成对应的空间电场分布，进一步对液晶层的电光性能进行调控，照射可见光穿过被调控的液晶层后，经过反光层反射形成可见光图像显示，实现红外图像至可见光图像的上转换。
如图3和图4所示，本发明基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件工作物理过程为，当红外光子入射到半导体量子点光电活性层8，由于量子点红外光电转换层的光电效应产生光生电子空穴对。假设此时施加在红外透明电极9的电位为正，施加在可见光透明电极3的电压为负，光生电子空穴对在偏置电场作用下，光生电子向红外透明电极9漂移，光生空穴向可见光透明电极3漂移。可见光反光层7和液晶上取向层6为介质层，光生空穴在漂移过程中受到介质层阻挡产生电荷堆积。在介质层上的电荷积累量对应入射红外光子的强度，这些积累电荷还可以调控液晶层5的电场分布，进一步调节液晶分子的取向排列，通过偏振片1控制出射可见光的强弱，从而将红外图像转换为可见光图像。
为了避免长时间电荷积累对液晶分子造成的损伤，施加交变电源，使得红外透明电极9和可见光透明电极3之间的电场极性随着时间而周期性翻转。当红外透明电极9的电位为负，而可见光透明电极3的电位为正时，半导体量子点光电活性层8吸收红外光子后，光生空穴向上漂移，而光生电子则向下漂移。光生电子在介质层上产生积累，并通过电荷积累同样产生前述的液晶电光特性调控。
本发明以胶体半导体量子点作为光电转换材料，吸收红外光子信号，产生光生电子/空穴对；利用胶体半导体量子点探测器件溶液法制备的特点，将半导体量子点光电活性层与反射式液晶显示部分集成，通过光生载流子的积累实现对液晶层电光特性的调控，最后获得与红外图像对应的可见光图像。该上转换器件结构不需要对像素图案化制备，而且不需要特殊的探测信号读出电路和显示信号驱动电路，器件结构紧凑，制备工艺简单，制备成本低廉。

Claims (9)

1.一种基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件，其特征在于，从上往下依次包括上基板(11)、可见光遮光层(10)、红外透明电极(9)、半导体量子点光电活性层(8)、可见光反光层(7)、液晶上取向层(6)、液晶层(5)、液晶下取向层(4)、可见光透明电极(3)、下基板(2)和偏振片(1)；
其中，液晶下取向层(4)、可见光透明电极(3)、下基板(2)和偏振片(1)构成可见光图像显示组件(13)；上基板(11)、可见光遮光层(10)、红外透明电极(9)、半导体量子点光电活性层(8)、可见光反光层(7)和液晶上取向层(6)构成红外图像探测组件(12)；
所述红外透明电极(9)、可见光透明电极(3)分别与交流驱动电源的两个电极相连接；
所述红外图像探测组件(12)，红外光从上至下入射到半导体量子点活性层(8)，红外光子信号被转换为电荷信号储存于液晶下取向层(6)；
所述可见光图像显示组件(13)，照射光从下至上入射，将储存于液晶下取向层(6)的电荷信号转换为可见光强度信号。
2.根据权利要求1所述的基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件，其特征在于，所述上基板(11)为对红外光子吸收较小的材料，可以是红外透明的玻璃基板或柔性塑料基板。
3.根据权利要求1所述的基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件，其特征在于，所述可见光遮光层(10)可以透过红外光子，并阻挡可见光子的穿透。
4.根据权利要求1所述的基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件，其特征在于，半导体量子点活性光电层(8)为Pbs、PbSe或HgTe，能带间隙较小，可以吸收红外光子，并通过光电效应产生电子空穴对。
5.根据权利要求1所述的基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件，其特征在于，所述可见光反射层(7)可以完全反射从下方传递上来的照射可见光。
6.根据权利要求1所述的基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件，其特征在于，可见光图像显示组件(13)为反射式液晶显示器件，液晶层上所施加的电场由红外图像探测组件(12)所产生的电荷积累进行调控。
7.根据权利要求1所述的基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件，其特征在于，红外透明电极(9)和可见光透明电极(3)为透明的氧化铟锡(ITO)电极或掺氟氧化锡(FTO)电极。
8.一种基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)在上基板(11)上采用溅射的方法制备可见光遮光层(10)，进一步在可见光遮光层(10)上蒸发或者溅射制备红外透明电极(9)，进一步在红外透明电极(9)上旋涂制备半导体量子点光电活性层(8)，进一步在半导体量子点光电活性层(8)上蒸发制备可见光反光层(7)，进一步在可见光反光层(7)上旋涂制备液晶取向层，进一步通过摩擦或者光控取向方法对液晶取向层取向，得到液晶上取向层(6)；
(2)在下基板(2)的上表面溅射制备可见光透明电极(3)，进一步在可见光透明电极(3)上旋涂制备液晶取向层，进一步通过摩擦或者光控取向方法对液晶取向层取向，得到液晶下取向层(4)；
(3)将上基板(11)与下基板(2)组合，形成液晶盒，并采用常规灌晶方法灌注液晶形成液晶层(5)；
(4)在下基板(2)的下表面组装偏振片(1)构成红外-可见光图像上转换器件。
9.一种基于半导体量子点和液晶的红外-可见光图像上转换器件的成像方法，其特征在于，当红外光从上至下照射到红外图像探测组件(12)，根据不同区域红外光的不同强度，通过半导体量子点光电活性层(8)在相对应的区域产生不同的光生电流，光生电流在液晶上取向层(6)形成和红外图像相对应的电荷分布；红外图像所产生的电荷分布在可见光图像显示组件(13)形成对应的空间电场分布，进一步对液晶层的电光性能进行调控，照射可见光穿过被调控的液晶层后，经过反光层反射形成可见光图像显示，实现红外图像至可见光图像的上转换。
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