基于镧系掺杂的核壳结构上转换纳米粒子的近红外光探测器

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根据日本科学技术振兴机构（以下简称：JST）战略研究项目PRESTO，帝京科学大学（Teikyo University of Science）的Ayumi Ishii副教授团队开发了一种新型近红外光传感器，可将微弱的近红外光转换为可见光。

图1 利用钙钛矿包覆的上转换纳米粒子（UCNP） ，制备了一种具有强近红外吸收和高UC效率的钙钛矿型近红外光探测器（来源：JST）

如今，近红外光在日常生活中有着广泛的应用，比如红外摄像机（夜视摄像机）、红外通信（无线通信）、光纤通信、遥感和生物计量学等。近红外区域弱光的探测和灵敏度的提高对于光通信技术、医学诊断、环境监测和其他领域的发展是不可或缺的。

半导体化合物（如InGaAs）具有900–1700nm的光学带隙，可用于探测近红外区域的光。然而，由于复杂的制造过程和稀有金属的掺杂，这些系统成本极高，并且受到噪声干扰的限制。此外，与硅（Si）和其它化合物相比，这种半导体无法获得可与其比拟的可见光探测精度。

基于此，该团队开发出基于镧系元素掺杂的核壳结构上转换纳米粒子，这种粒子能够高效地将弱红外光转换成可见光。此外，通过开发一种近红外光探测器（光电二极管），将这些纳米粒子与对可见光有响应的无机半导体材料（卤化铅钙钛矿）相结合，他们成功将难以探测的弱近红外光转化为电信号，转换效率可达75%。

通过这种新颖、低成本、简单的技术将近红外光（被认为难以以高灵敏度探测到）转换成可以利用现有材料和技术高精度探测的可见光，该团队在弱近红外光探测效率方面取得了极大的进展。

因此，该成果展示了一种资源节约型近红外探测方法，利用纳米材料将低能近红外光转换为高能可见光，从而提高了光学传感器的近红外光接收灵敏度，以及太阳能电池等人工光合作用的太阳光转换效率。以上结果已以“Upconverting Near-Infrared Light Detection in Lead Halide Perovskite with Core–Shell Lanthanide Nanoparticles”为题发表在期刊Advanced Photonics Research上。

在JST战略基础研究计划PRESTO “全控制光子及其在新时代创造中的积极应用”领域的“单光子传感器的有机-无机混合接口的开发”研究项目支持下，该团队与桐荫横滨大学（Toin University of Yokohama）特聘教授Tsutomu Miyasaka合作，计划通过超灵敏光探测（包括单光子水平），克服光接收、测量和成像等感测功能的局限性。

通过采用有机和无机材料表面融合的材料-化学方法，该研究的目标是开发多功能、高灵敏度的光探测器，使其在单光子水平上最大限度地提供光的信息（如波长、各向异性等）。