CN116723709A - 一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件、制备方法和系统 - Google Patents

一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件、制备方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件、制备方法和系统，所述器件从下到上依次包括红外增透衬底、半反射底部电极、电子传输层、红外吸光层、空穴传输层、可见光发射层、电子注入层和透射顶部电极。本发明通过红外增透衬底对红外光的增强透射和半反射底部电极可见光反射强的特性，在保持透射足够多红外入射光的同时，反射发光单元发出的可见光，使得可见光更多的从透射顶部电极发出，从而增强透射式上转换器件可见光发出；相比于反射式顶部电极消除了入射红外光角度的影响，使其入射红外光与发射可见光完全在同一直线上，使得器件在红外成像时更有优势。

Description

一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件、制备方法和 系统
技术领域
本发明涉及红外成像领域，尤其涉及一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件、制备方法和系统。
背景技术
红外成像在军事、医疗和工业领域有着极为广泛的应用，传统的红外成像器件由一个个排列紧密的像元构成，其每个像元就相当于一个探测器。在成像时，像元感光将红外辐射信号转换成光信号，每个像元产生的光信号通过列电路或行电路汇集到积分放大器中进行信号放大，然后通过模数转换器将原始光信号转换成数字信号，然后对这些信号进行滤波增强，最后进行信号的输出。这种传统的红外成像系统在后期需要复杂的滤波去噪声和增强处理等。因此，基于传统红外成像的缺点，研究学者一直致力于开发出一种新型的红外成像方式。红外上转换成像是诸多红外成像方式中，实现方式更容易，且成像效果更好的一种成像方式。该方法是在制备探测器的基础上，继续叠加制备出一个发光器件，与传统红外成像原理不同，探测器在将红外辐射转换成电信号后，并不直接通过电路输出，而是通过传输层将空穴传输到发光器件中，与外置电路中的电子在发光层中复合发光，进而实现光-电-光的转换过程，与传统成像方式相比，这种成像方式省去了电信号中间的放大以及转换过程，因此信号噪声更小，且整个器件可以采用旋涂或蒸镀工艺制备，无需制备单独的像元。
拓展上转换器件成像应用成为目前此研究领域的关键部分。大量研究人员使用红外光透过掩膜或组织载玻片来评估红外到可见光上转换器件的成像能力。2012年多伦多大学研究人员利用本征InGaAs为衬底进而制作了有机发光单元，实现了1550nm的上转换，开启电压优化到大约4V，且具有较好的分辨率，达到了6μm(Jun Chen,Jianchen Tao,etal.Hybrid Organic/Inorganic Optical Up-Converter for Pixel-Less Near-InfraredImaging[J].Advanced Materials,2012.)。在红外光照射的器件前放置了一个掩膜板，并表征了可见发射轮廓，成像的形状很容易识别，这与使用红外摄像机拍摄的照片相当。2022年电子科技大学研究人员将高效有机发光二极管和宽波长有机光电探测器相结合制作的上转换器件实现了对1330nm红外光的生物样本清晰成像(Yuqing Zhang,Zeyu He,Xiaoyang Du,et al.High-performance organic upconversion device with 12％photon to photon conversion efficiency at 980nm and bio-imaging applicationin near-infrared region.Opt.Express 30,16644-16654(2022))。
目前，此类上转换器件在成像应用时仍然存在共同的问题：一方面大多数器件为了保持性能稳定采用反射式电极，造成成像时需要用斜入射的方式，入射角度影响最终的成像质量。另一方面，部分透射式发光器件的顶部透射可见光不充分，很大一部分从底部透明电极发出，只有较少一部分从顶部发射，无法实现上转换器件顶部可见光高效发射。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件、制备方法和系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明的第一方面，提供一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件，从下到上依次包括红外增透衬底、半反射底部电极、电子传输层、红外吸光层、空穴传输层、可见光发射层、电子注入层和透射顶部电极。
进一步地，所述半反射底部电极为铜电极。
进一步地，所述透射顶部电极包括由下至上的注入修饰层和导电层。
进一步地，所述注入修饰层为铝层，所述导电层为银层。
进一步地，所述注入修饰层为金属镁和金属银以10：1的比例蒸镀实现，所述导电层为银层。
本发明的第二方面，提供所述的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件的制备方法，包括以下步骤：
除去红外增透衬底的表面污渍；
在红外增透衬底上通过蒸镀或溅射的方式制作半反射底部电极，并制备出相应的电极图案；
依次利用溶液旋涂制作电子传输层和红外吸光层，通过旋涂速率控制薄膜厚度；
依次利用热蒸镀法制作空穴传输层、可见光发射层和电子注入层，通过设备晶振速率控制薄膜厚度；
蒸镀透射顶部电极，完成器件制作。
进一步地，当所述透射顶部电极包括由下至上的注入修饰层和导电层时，所述蒸镀透射顶部电极具体包括：
依次蒸镀透射顶部电极的注入修饰层和导电层。
进一步地，电子传输层采用旋涂的氧化锡薄膜，红外吸光层采用聚合物D18和近红外吸光有机物BTP-ec9作为混合二元红外吸光层。
进一步地，空穴传输层采用MoO3/TAPC组合的叠层结构，可见光发射层采用CBP：ir(ppy)2(acac)按照11：1的比例蒸镀实现，电子注入层采用B3PyMPM和LiF分别蒸镀实现。
本发明的第三方面，提供一种谐振结构的透射式红外上转换成像系统，包括位于同一条直线上的成像样品、聚焦透镜、所述的上转换成像器件、相机，入射红外光穿过成像样品后，携带成像样品的红外透过信息通过聚焦透镜后到上转换成像器件转换为可见光信息，最后由相机获得。
本发明的有益效果是：
(1)在本发明的一示例性实施例中，通过红外增透衬底对红外光的增强透射和半反射底部电极可见光反射强的特性，在保持透射足够多红外入射光的同时，反射发光单元发出的可见光，使得可见光更多的从透射顶部电极发出，从而增强透射式上转换器件可见光发出。同时，由于透射顶部电极对可见光的反射作用，使得发出的可见光在半反射底部电极和透射顶部电极之间多次反射，被红外吸光层部分吸收，促使上转换器件光吸收量增强，提升器件电流水平。并且，由于可见光在半反射底部电极和透射顶部电极之间的多次反射呈现谐振效果，其电极之间厚度为腔长，使其具有波长选择性，能使发出的可见光具有更好的单色性。
另外，由于本示例性实施例采用透射顶部电极发射可见光，相比于反射式顶部电极消除了入射红外光角度的影响，使其入射红外光与发射可见光完全在同一直线上，使得器件在红外成像时更有优势。
(2)在本发明的又一示例性实施例中，半反射底部电极采用薄膜铜电极实现，薄膜铜电极对可见光的反射将有助于上转换发出的可见光反射至透射顶部电极发出，保证电极与传输层能级匹配和电荷有效传输。
(3)在本发明的又一示例性实施例中，所述透射顶部电极包括由下至上的注入修饰层和导电层。为了在保持薄膜透射的同时保证高效的载流子注入，透射顶部电极采用薄层注入修饰层和薄层的导电层的叠层结构。并且公开了其中两种优选实施方式。
附图说明
图1为本发明一示例性实施例中提供的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件的结构示意图；
图2为本发明一示例性实施例中提供的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件的不同入射光功率条件下的电流-电压测试图；
图3为本发明一示例性实施例中提供的一种谐振结构的透射式红外上转换成像系统的结构示意图；
图4为本发明一示例性实施例中提供的一种谐振结构的生物样本的成像效果比较示意图；
图中，1-红外增透衬底，2-半反射底部电极，3-电子传输层，4-红外吸光层，5-空穴传输层，6-可见光发射层，7-电子注入层，8-透射顶部电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
参见图1，图1示出了本发明一示例性实施例中提供的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件的结构示意图，从下到上依次包括红外增透衬底1、半反射底部电极2、电子传输层3、红外吸光层4、空穴传输层5、可见光发射层6、电子注入层7和透射顶部电极8。
具体地，在本示例性实施例中，当进行上转换过程时，红外光从红外增透衬底1入射，经过半反射底部电极2、电子传输层3进入红外吸光层4，由红外吸光层4产生的光生空穴与透射顶部电极8注入的电子在可见光发射层6复合发出垂直于器件两个方向的可见光，一方面的可见光从透射顶部电极8发出，另一方面的可见光经半反射底部电极2反射至透射顶部电极8发出。最终在半反射底部电极2和透射顶部电极8的共同作用下，可见光透射发出得到增强。
其中，通过红外增透衬底1对红外光的增强透射和半反射底部电极2可见光反射强的特性，在保持透射足够多红外入射光的同时，反射发光单元发出的可见光，使得可见光更多的从透射顶部电极8发出，从而增强透射式上转换器件可见光发出。
同时，由于透射顶部电极8对可见光的反射作用，使得发出的可见光在半反射底部电极2和透射顶部电极8之间多次反射，被红外吸光层4部分吸收，促使上转换器件光吸收量增强，提升器件电流水平。
并且，由于可见光在半反射底部电极2和透射顶部电极8之间的多次反射呈现谐振效果，其电极之间厚度为腔长，使其具有波长选择性，能使发出的可见光具有更好的单色性。
另外，由于本示例性实施例采用透射顶部电极8发射可见光，相比于反射式顶部电极消除了入射红外光角度的影响，使其入射红外光与发射可见光完全在同一直线上，使得器件在红外成像时更有优势。
更优地，在一示例性实施例中，所述半反射底部电极2为铜电极。
具体地，在本示例性实施例中，半反射底部电极2采用薄膜铜电极实现，薄膜铜电极对可见光的反射将有助于上转换发出的可见光反射至透射顶部电极8发出。
同时，半反射底部电极采用功函数匹配的金属薄层材料，其功函数与常用底部电极如ITO功函数接近，保证电极与传输层能级匹配和电荷有效传输。
更优地，在一示例性实施例中，所述透射顶部电极8包括由下至上的注入修饰层和导电层。
具体地，在本示例性实施例中，由于透射顶部电极8采用较薄薄膜，不同的材料载流子注入效果不同，为了在保持薄膜透射的同时保证高效的载流子注入，透射顶部电极8采用薄层注入修饰层和薄层的导电层的叠层结构。
更优地，在一示例性实施例中，所述注入修饰层为铝层，所述导电层为银层。更优地，在一示例性实施例中，所述注入修饰层为金属镁和金属银以10：1的比例蒸镀实现，所述导电层为银层。
具体地，图2示出了转换器件不同入射光功率条件下的电流-电压测试图，其中，图2左为“所述注入修饰层为铝层，所述导电层为银层”，图2右为“所述注入修饰层为金属镁和金属银以10：1的比例蒸镀实现，所述导电层为银层”。
可以看出，仅有铝和银的透射顶部电极8也对可见光由较大的透过率，利于可见光发出，但是其显示出较差的电荷注入和电流输出；而采用镁和银的合金相比于单独的铝而言具有更优异的注入效果，显示出更稳定的暗电流和光电流输出。
与上述示例性实施例具有相同的发明构思，本发明的又一示例性实施例提供所述的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件的制备方法，包括以下步骤：
除去红外增透衬底1的表面污渍；
在红外增透衬底1上通过蒸镀或溅射的方式制作半反射底部电极2，并制备出相应的电极图案；
依次利用溶液旋涂制作电子传输层3和红外吸光层4，通过旋涂速率控制薄膜厚度；
依次利用热蒸镀法制作空穴传输层5、可见光发射层6和电子注入层7，通过设备晶振速率控制薄膜厚度；
蒸镀透射顶部电极8，完成器件制作。
而在又一示例性实施例中，对于各层的具体实现方式，可以采用：
(1)半反射底部电极2采用蒸镀20nm金属铜电极；
(2)电子传输层3采用旋涂的氧化锡薄膜，厚度控制在30nm左右；
(3)红外吸光层4采用聚合物D18和近红外吸光有机物BTP-ec9作为混合二元红外吸光层，厚度为120nm；
(4)空穴传输层5采用MoO3/TAPC组合的叠层结构，厚度为10nm/30nm；
(5)可见光发射层6采用CBP：ir(ppy)2(acac)按照11：1的比例蒸镀实现，得到约30nm厚度的绿光发射层；
(6)电子注入层7采用40nm的B3PyMPM和1nm的LiF；
(7)透射顶部电极8采用极采用5nm铝为注入修饰层，20nm银作为导电层；或者采用10nm的金属镁和金属银以10：1的比例蒸镀实现的注入修饰层，同样使用20nm银为导电层。
因此，对应地，在一示例性实施例中，当所述透射顶部电极8包括由下至上的注入修饰层和导电层时，所述蒸镀透射顶部电极8具体包括：
依次蒸镀透射顶部电极8的注入修饰层和导电层。
与上述示例性实施例具有相同的发明构思，本发明的又一示例性实施例提供一种谐振结构的透射式红外上转换成像系统，如图3所示，包括位于同一条直线上的成像样品、聚焦透镜、所述的上转换成像器件、相机，入射红外光穿过成像样品后，携带成像样品的红外透过信息通过聚焦透镜后到上转换成像器件转换为可见光信息，最后由相机获得。
具体地，在本示例性实施例中，为了使上转换器件更适合高效红外成像应用，本示例性实施例采用了谐振结构的策略，部分反射上转换器发射出的可见光至顶部透射电极发出，增强了顶部可见光发射，并且相比于反射式顶部电极解决了斜入射方式造成的成像质量下降的问题，消除了入射红外光角度的影响，使其入射红外光与发射可见光完全在同一直线上，使得器件在红外成像时更有优势。
其中，对生物样本的成像效果如图4右图所示，相比于图4中常规反射式上转换器件的成像，此透射式上转换器件不受斜入射角度影响，成像更接近于图4左的标本实物本身。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件，其特征在于：从下到上依次包括红外增透衬底、半反射底部电极、电子传输层、红外吸光层、空穴传输层、可见光发射层、电子注入层和透射顶部电极。
2.根据权利要求1所述的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件，其特征在于：所述半反射底部电极为铜电极。
3.根据权利要求1所述的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件，其特征在于：所述透射顶部电极包括由下至上的注入修饰层和导电层。
4.根据权利要求3所述的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件，其特征在于：所述注入修饰层为铝层，所述导电层为银层。
5.根据权利要求3所述的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件，其特征在于：所述注入修饰层为金属镁和金属银以10：1的比例蒸镀实现，所述导电层为银层。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
除去红外增透衬底的表面污渍；
在红外增透衬底上通过蒸镀或溅射的方式制作半反射底部电极，并制备出相应的电极图案；
依次利用溶液旋涂制作电子传输层和红外吸光层，通过旋涂速率控制薄膜厚度；
依次利用热蒸镀法制作空穴传输层、可见光发射层和电子注入层，通过设备晶振速率控制薄膜厚度；
蒸镀透射顶部电极，完成器件制作。
7.根据权利要求6所述的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件的制备方法，其特征在于：当所述透射顶部电极包括由下至上的注入修饰层和导电层时，所述蒸镀透射顶部电极具体包括：
依次蒸镀透射顶部电极的注入修饰层和导电层。
8.根据权利要求6所述的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件的制备方法，其特征在于：电子传输层采用旋涂的氧化锡薄膜，红外吸光层采用聚合物D18和近红外吸光有机物BTP-ec9作为混合二元红外吸光层。
9.根据权利要求6所述的一种谐振结构的透射式红外上转换成像器件的制备方法，其特征在于：空穴传输层采用MoO3/TAPC组合的叠层结构，可见光发射层采用CBP：ir(ppy)2(acac)按照11：1的比例蒸镀实现，电子注入层采用B3PyMPM和LiF分别蒸镀实现。
10.一种谐振结构的透射式红外上转换成像系统，其特征在于：包括位于同一条直线上的成像样品、聚焦透镜、如权利要求1～3中任意一项所述的上转换成像器件、相机，入射红外光穿过成像样品后，携带成像样品的红外透过信息通过聚焦透镜后到上转换成像器件转换为可见光信息，最后由相机获得。
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