基于上转换纳米颗粒的中红外光电换能器，实现室温中红外成像与仿生热视觉

近年来，低维材料结合光子/等离子体结构的方案被用于增强中红外光与物质相互作用并实现室温运行。稀土掺杂上转换纳米颗粒（UCNPs）作为中红外检测平台崭露头角——其独特能力在于可将中红外吸收转换为可检测的近红外或可见光发射信号。尽管取得了进展，但整体中红外检测效率仍受限于中红外吸收弱、发光强度低与近红外量子效率不高等瓶颈，共同制约了响应度与探测率。

据麦姆斯咨询报道，近日，南洋理工大学、新加坡国立大学和郑州大学的研究团队提出一种基于Nd³⁺/Yb³⁺/Er³⁺三掺杂NaYF₄核壳上转换纳米颗粒的中红外光电换能方案。通过精确设计Nd₄₀Yb₁₅@Yb₃₀Er₂@Y三层核壳架构与油酸表面配体协同作用，808 nm近红外泵浦下，8 μm中红外辐射经光热效应扰动稀土离子能级布居与能量传递动力学，产生可见光波段的比率型发光调制，泵浦功率低至5 mW即可工作。将纳米颗粒薄膜与商用硅探测器集成后，室温8 μm处比探测率突破3×10⁸ Jones，响应度超过40 V/W。该材料基换能方案彻底摆脱了传统中红外探测器的低温制冷依赖，天然兼容硅基读出电路，为分子指纹检测、红外热成像、自由空间中红外通信提供了一条轻量化、低成本的室温探测新路径。研究成果以“Visible-Readout Upconversion Nanotransducers for Mid-Infrared Photodetection”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

上转换纳米颗粒的核-壳结构设计策略

高质量三掺杂NaYF₄纳米颗粒采用改进共沉淀法合成内核、热分解法外延生长壳层的两步工艺制备。Er³⁺可见发射带强度比为中红外检测提供比率度量，长寿命的Yb³⁺²F₅/₂激发态结合Er³⁺的两步上转换过程，有利于主导可见光发射通道。中红外辐照下，热致扰动调制布居动力学，压制Er³⁺可见光发射与Yb³⁺980 nm发射，实现灵敏的中红外读出。图1整体展示了Nd³⁺/Yb³⁺/Er³⁺纳米颗粒中由中红外光引发的比率型上转换发光。结果证实Nd吸收层、Yb能量桥层与Er发光层三者协同，缺一不可，分层核壳设计是实现最大化光热-发光耦合调制效果的关键。

图1 Nd³⁺/Yb³⁺/Er³⁺纳米颗粒中由中红外光引发的比率型上转换发光

上转换纳米颗粒的光致发光（PL）测试表征

为深入理解中红外调制机制，研究团队基于自定义透射式荧光装置开展了近红外功率依赖发光测量；更高泵浦功率下，中间能级与发射能级布居增大，发射越来越受热调制支配；因此相同温升会引发更显著的能级布居重新分布，导致光致发光强度的相对调制幅度更大。为验证热调制机制，研究团队采用加热台梯度控温建立发光-温度标准校准曲线；这一对比直接证明观测到的中红外调制主要源于光热效应，相关结果如图2所示。

图2 中红外调制上转换过程的特性表征

基于上转换纳米颗粒的中红外光电探测系统性能表征

为定量评估纳米颗粒系统的中红外响应，研究团队将光谱仪替换为硅光电探测器结合带通滤波片，直接监测可见光发射，相关系统性能表征结果如图3所示。结果显示，与代表性非制冷中红外探测技术的横向对比表明，本器件的比探测率虽不占优势，但处于室温宽带中红外热传感的实用灵敏度区间，且其无需制冷、硅兼容读出的轻量化优势显著。

图3 中红外调制上转换纳米颗粒体系的动态响应、噪声特性与探测率

中红外成像与仿生热视觉

基于系统级测量结果，研究团队进一步发展了蛇窝器官启发的热视觉架构，利用纳米颗粒中红外换能作为人工"传感膜"。重构实验中，8 μm连续波量子级联激光器照射图案化目标，透射中红外场通过扫描纳米颗粒薄膜在均匀808 nm泵浦下完成映射，输出空间光电压图像与对应线剖面，边缘对比度清晰可辨。重要的是，读出通过上转换发射在可见/近红外波段完成、由硅探测器检测，从而将中红外传感与传统低温长波红外焦平面阵列解耦，实现紧凑、低噪声的检测配置，相关系统设置及结果如图4所示。

图4 基于上转换纳米颗粒纳米换能器的中红外成像与光谱转换读出技术

总结

综上所述，这项研究开发了一种基于Nd³⁺/Yb³⁺/Er³⁺三掺杂NaYF₄纳米颗粒热致调制上转换的室温中红外传感方案。研究人员提出配体光热扰动稀土能级布居的传感新机制，利用双波段可见光比率信号消除系统噪声，实现3.7–10.6 μm宽带中红外响应，并构建硅兼容读出通道。搭建扫描式中红外成像原型，提出仿生蛇窝热视觉传感范式，室温8 μm比探测率突破3×10⁸ Jones、响应度超40 V/W，验证了分子指纹、热成像等场景的实用潜力。可见光读出上转换纳米换能器为中红外光子学提供了材料原生的跨波段信号转换新范式，以室温运行、硅兼容、轻量化的独特优势，为下一代中红外传感与成像系统开辟了差异化的技术路线。