摘要：北京理工大学郝群教授团队开发了一种新型多维信息全彩可视化显示智能光电器件，突破了常规可视化单一颜色限制，首次实现了红外强度及温度分布与可见光颜色关联，显著提升了器件灵敏度， 助力人机交互、红外成像、可穿戴生物医学监视器及电子皮肤等多学科领域应用。相关研究成果以“Color-Tunable Organic Light-Emitting Displays for Interactive Multi-Signal Visualization”为题发表于Advanced Functional Materials期刊。该论文的第一作者为北京理工大学博士后牟鸽，通讯作者为郝群教授、陈梦璐教授及唐鑫教授。

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红外-可见光上转换成像器件通过集成探测红外光子的红外探测器和激发可见光子的发光二极管，利用器件内部光-电-光的线性转换过程，避免了繁琐的读出电路和复杂的电信号处理过程，能够直接通过肉眼或可见光相机“看见”红外图像，是实现低成本、高分辨率和高灵敏度红外成像系统的理想方案。

据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学光电学院郝群教授团队在红外-可见光上转换成像器件领域取得了一系列进展。该团队创新提出探测-发光叠层红外上转换器件架构，建立探测-发光单元光电调控模型，探明探测-发光界面载流子传输机理，阐明宽色域全彩上转换成像机制，最终实现一种多维信息全彩可视化显示智能光电器件。该器件能够从硬件上直接实现红外强度与可见光颜色关联的红外“伪彩”成像，显著提升了红外探测灵敏度，并集成多维信息探测、全彩可视化显示、间接或直接人机交互等多种功能，助力人机交互、红外成像、可穿戴生物医学监视器及电子皮肤等多学科领域应用（图1）。

图1 多维信息全彩可视化显示智能器件：（a）工作原理示意图，（b）结构示意图和（c）器件横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。

首先，研究团队突破了多色发光叠层能带设计关键技术，制备了偏压调控颜色变化高度敏感的全彩发光单元。该研究团队攻克了宽色域偏压调控多色发光单元发光机理及结构设计难题，研究了激子阻挡层厚度（0 nm、2 nm、5 nm、8 nm）和发光材料叠层顺序（红色和绿色发光层叠层、红色和蓝色发光层叠层、绿色和蓝色发光层叠层）等对发光单元颜色变化灵敏度的作用规律，优化了发光单元能带结构，最终选择了绿色发光层（8% Ir(ppy)3: CBP，厚度20 nm）、激子阻挡层（TAPC, 厚度5 nm）、红色发光层（6% Ir(piq)3: CBP，厚度20 nm）依次叠层结构，实现了全彩发光单元颜色调控范围及灵敏度最大化，如图2所示。

图2 全彩发光单元：（a）结构示意图，（b）能带结构示意图，（c）电致发光光谱随偏压变化情况，（d）红色和绿色电致发光光谱分量随偏压变化情况。（e）没有激子阻挡层的发光单元电致发光光谱随偏压变化情况。红色和绿色发光层、绿色和蓝色发光层及蓝色和红色发光层叠层结构的发光单元（f）CIE 1931及（g）CIE 1976色度坐标随偏压变化情况。（h）没有激子阻挡层的发光单元CIE 1931色度坐标随偏压变化情况。

在此基础上，该研究团队将近红外硅探测器与全彩发光单元集成，首次实现了红外强度和可见光颜色的关联（图3a）。红外上转换全彩成像的实现不仅得益于高灵敏度全彩发光单元的研发，也得益于选择了铟锡氧化物（ITO）作为探测-发光单元界面层。ITO不仅与硅探测器构建了肖特基结，显著提高了硅基探测器性能（图3b-d）。而且，ITO经过像素化技术处理，在探测和发光单元界面构建了最优载流子垂直输运通道，抑制载流子横向杂散传输。因此，该器件能够从硬件上直接实现红外“伪彩”成像，并且用户可以通过红外激光笔对器件进行操控，“书写”的空间信息和激光笔强度会影响显示的图案和颜色，实现了红外光信号调制的探测显示双重功能（图3e）。

图3 红外上转换全彩成像器件：（a）工作原理示意图。硅/ITO探测器（b）光谱响应，（c）电流-电压曲线和（d）响应度和比探测率。（e）不同红外强度下的红外上转换成像照片。

此外，研究团队在柔性硅基底上制备了全彩发光单元，器件展示了柔性可穿戴功能，能够感知温度并以不同颜色进行显示，实现了与用户的直接交互（图4）。由于人眼对于颜色变化的灵敏度显著高于对亮度变化的灵敏度，使得该器件展示了超高的灵敏度，最低可分辨温差仅为65 mK，媲美商用温度计和红外热成像仪。此外，该器件还展示了从303 K到473 K超宽的温度探测范围。

图4 柔性可穿戴温度可视化监视器：（a）工作原理示意图。（b）硅传感器电流-电压曲线。柔性可穿戴温度可视化监视器（c）CIE 1976随温度变化情况和（d）显示的色差随温度变化情况。

综上所述，北京理工大学研究团队通过阐明宽色域全彩可视化显示机制，构建探测-发光单元最优垂直输运通道，开发了一种智能光电器件，集成了红外和温度的多维信息探测、全彩可视化显示、间接或直接人机交互等多种功能为一体，首次展现了红外强度与可见光颜色关联的上转换全彩成像，并具有最低可分辨温差仅为65 mK的极高温度探测灵敏度，该器件在多学科领域展示了极高的应用前景。

Mu, G.; Rao, T.; Qi, Y.; Ma, S.; Hao, Q.; Chen, M.; Tang, X. Color-Tunable Organic Light-Emitting Displays for Interactive Multi-Signal Visualization. Adv. Funct. Mater. 2023, 2301280. https://doi.org/10.1002/adfm.202301280.