实验室周博教授团队：上转换发光实现红外亚带隙光电探测

高性能的红外光电探测在光通信、夜视、生物成像、环境监测等领域具有重要应用前景。然而，传统半导体光电探测器受限于材料带隙，难以响应能量低于带隙的红外光子（即亚带隙光子）。利用镧系离子掺杂上转换纳米颗粒（UCNPs）将红外光转换为可见光，再被宽带隙半导体吸收，已证实是一种可行的策略。但传统共掺杂上转换纳米粒子中存在严重的有害能量转移，导致上转换发光效率低，极大限制了光电探测材料的开发与应用。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室周博教授团队提出了一种通过选择性界面能量转移（IET）增强上转换发光的概念模型（图1）。通过在多层核壳纳米结构中，将激活剂Er³⁺（NaErF₄核）与敏化剂Yb³⁺（NaYbF₄壳）进行纳米级的空间可控分离，有效抑制了反向能量传递等非辐射损耗，实现了上转换发光强度2个数量级提升。在此基础上，将高亮度上转换纳米颗粒与WSe₂二维光电探测材料结合，成功实现了对980 nm亚带隙红外光的高效响应，为突破传统光电探测器的带隙限制提供了新路径。

团队构建了NaErF₄:0.5%Tm@NaYF₄@NaYbF₄@NaYF₄多层核壳结构：晶核为高掺杂Er³⁺的发光层，中间壳层为纳米级惰性NaYF₄隔离层，外层为掺杂Yb³⁺的敏化层，最外层为惰性NaYF₄保护层。实验表明，通过精确调控隔离层厚度可以有效平衡正向与反向能量传递作用，可显著提高上转换量子效率。在低功率密度0.1 W/cm²激发条件下，与传统NaYF₄:20%Yb,2%Er@NaYF₄核壳纳米颗粒相比，上转换发光强度比高出2个量级。将上述UCNPs与WSe₂光电探测器结合后，在980 nm激光照射下，光电流显著增强。器件的响应度达1.78 mA/W，探测率达1.76×10⁸Jones，分别为单一WSe₂器件的8.5倍和7.8倍。该结果证实，通过上转换将亚带隙红外光子转换为可被WSe₂吸收的可见光，能够有效拓展光电探测器的光谱响应范围，为未来开发高性能、低功耗、宽光谱光电探测器提供了新思路。

图1界面能量传递增强上转换发光及红外亚带隙光电探测

相关研究成果以“Boosting Upconversion throughSelective Interfacial Energy Transfer toward Infrared Sub-bandgapPhotodetection”为题发表在Nano Letters上，通讯作者为周博教授，第一作者为2022级博士生魏浩鹏。该研究工作得到了国家自然科学基金、发光材料与器件全国重点实验室基金等资助。