科學通報 | 西南大學雷衍連團隊綜述基于光電上轉換的紅外可視化探測研究

自然界充滿了人眼無法直接感知的信息。人類的視覺系統僅能響應380-780 nm的可見光，而大量富含關鍵信息的紅外輻射，則長期沉寂于人類的“視覺盲區”之中。突破這一生理極限，實現紅外的實時、直觀可視化，對于推動前沿科技發展具有至關重要的意義。然而，傳統的紅外成像技術（如InGaAs焦平面陣列）雖性能優異，但其復雜的讀出電路、高昂的制造成本以及固有的剛性，限制了其在柔性、可穿戴及低成本可視化場景中的應用。在此背景下，基于光電上轉換的紅外可視化探測技術應運而生，它提供了一種顛覆性的解決方案。

近日，西南大學雷衍連團隊在《科學通報》發表了題為“基于光電上轉換的紅外可視化探測研究進展”的綜述文章，系統梳理了該領域的材料體系、器件結構、研究進展與應用場景，并對未來發展進行了前瞻性展望。

圖1 基于光電上轉換的紅外可視化成像技術的研究進展

文章首先構筑了該技術的理論基礎，系統梳理了其核心材料體系與器件架構的工作原理。文章指出，目前的研究主要圍繞四大材料體系展開：有機半導體材料成本低、柔性佳，但探測波段較窄；量子點（如PbS、HgTe）可通過改變尺寸來調節探測范圍，輕松覆蓋短波紅外，但其重金屬成分帶來的毒性問題不容忽視；新興的鈣鈦礦材料光電性能卓越，但穩定性是最大短板；而二維材料則以其超薄特性，為制備透明器件提供了可能。器件結構方面，文章詳細解析了“空穴控制”與“電子控制”兩類主流架構，并深入揭示了其工作機制。這種精妙的“光-電-光”轉換機制，是實現高性能可視化的核心。

隨后，文章著重闡述了該技術領域令人矚目的研究進展與廣泛的應用突破。在材料體系創新的有力支撐下，紅外上轉換器件的性能實現了跨越式提升。其中，有機上轉換器件在效率和分辨率方面不斷刷新紀錄，展現出巨大的應用潛力；量子點器件則成功將探測范圍擴展至中紅外波段，顯著拓寬了技術的適用場景；而多單元串聯結構的創新設計，更是通過提升載流子利用效率，實現了器件性能的倍增，為開發低功耗、高性能的可視化系統奠定了堅實基礎。基于以上技術的突破，紅外上轉換器件已在多個應用場景中展現出巨大潛力。在醫療監測領域，它被用于無創采集脈搏波信號、繪制清晰的手臂靜脈血管圖譜。在可穿戴電子領域，半透明的“上轉換護目鏡”和“防偷拍”檢測儀已被成功演示，能夠實時顯示紅外激光雷達信號。在光通信與加密領域，研究者構建了由上轉換器件組成的通信鏈路來傳輸文本信息，并能讀取隱藏在多層薄膜下的加密內容，凸顯了其在信息安全方面的價值。

最后，文章客觀地總結了當前面臨的挑戰，并清晰地展望了未來的發展方向。文章明確指出，該技術在邁向商業化過程中仍需攻克三大瓶頸：（1）材料性能局限，如有機材料響應波段不足、量子點材料的毒性問題；（2）效率與穩定性不足，整體上轉換效率仍有巨大提升空間，且器件在長期工作下的穩定性有待提高；（3）制備工藝復雜，特別是溶液法大面積制備高質量多層膜結構仍面臨技術壁壘。

面對這些挑戰，作者提出了明確的未來研究路徑：開發新型窄帶隙、環境友好的材料；通過能帶工程優化器件結構，進一步提升電荷利用效率；發展噴墨打印、卷對卷制造等先進低溫工藝，以實現低成本、大面積制造。通過跨學科的協同創新，這項技術有望在不久的將來，真正讓我們的“視野”超越天生局限，為醫療診斷、人機交互和環境監測等領域帶來革命性變化。

文章信息

胡遠鴻, 梁佳欣, 陳歷相, 雷衍連*. 基于光電上轉換的紅外可視化探測研究進展. 科學通報, 2026, 71(5-6): 1240–1254

doi: 10.1360/CSB-2025-5519

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