维度控制下的稀土红外光电机理研究

Infrared optoelectronic materials and devices occupy an important position in the field of infrared detection. Upconversion materials based on rare earth can absorpt the infrared light and emit visible light. The current research on rare earth upconversion material only restricted to optical conversion. As just started for photoelectric conversion, the mechanism of infrared photoelectric direct conversion has not been discussed. The project was the first to propose a new idea: the excited infrared upconversion rare earth nanomaterials pass the photon energy absorption to receptors in different dimensions, then form the effect of infrared photoelectric competited to the light conversion. By new technology of infrared light spectroscopy combined Kelvin probe force microscope, scanning probe acoustic microscope technology, we can study the new photoelectric mechanism and working conditions at the nanoscale. The array type infrared photoelectric sensor will be constructed. The study makes it possible to explore the photoelectric conversion mechanism of new rare-earth at the nanoscale. There is very important theoretical and practical significance in developing a new type of new infrared photoelectric sensor and expanding the application of rare-earth in the field of the photovoltaic industry.

红外光电材料和器件在红外检测中占据核心地位。稀土上转换材料可以把吸收的红外光转变为可见光，但当前对稀土上转换材料的研究仅局限于光学转换方面，光电转换才刚起步，对直接的红外光电转换机理尚未进行探讨。本项目首次提出一种新的研究思路：即经红外光上转换激发的稀土纳米材料，在不同维度下把吸收的光子能量传递给受体，形成可与光转换竞争的红外光电效应。利用红外分光光谱结合开尔文探针力显微镜、扫描探针声学显微镜的新技术，在纳米和微区范围研究这一新的光电产生机理和作用条件，并构建阵列式红外光电传感器件。该研究使得从微观尺度探索新的稀土光电产生机制成为可能，对开发新型红外光电传感器和拓展稀土在光电领域的应用，具有十分重要的理论和现实意义。

红外光电材料和器件在红外检测中占据核心地位。稀土上转换材料可以把吸收的红外光转变为可见光，但当前对稀土上转换材料的研究仅局限于光学转换方面，光电转换才刚开始，对直接的红外光电转换机理尚未进行探讨。在此背景下，本项目研究了不同维度下稀土上转换纳米单元与半导体纳米单元发生能量传递的作用条件与相互关系，以及不等价离子取代后良电导稀土上转换纳米单元的直接红外光电性质，还有红外单光谱以及多光谱作用下的稀土上转换纳米单元的上转换发光与光电效应之间的相互关系和组装纳米换能单元的微观光电性质。结果表明上转换发光和光电响应不仅受掺杂离子的特性影响，也受到维度的显著影响，掺杂优于非掺杂，柱形优于六边形更优于球形结构，长柱形优于短柱形结构，且上转换发光强度的增强程度还随发射光波长的增加而增加，这些规律为拓展稀土在上转化光电领域的应用提供了新思路；另外，同一铒类上转换材料在不同波长激发条件下，发射光的强度和颜色有所不同，在980nm激发条件下，位于550nm处的绿色发射较强，在1550nm激发条件下，660nm处的红色发射明显增强；在980nm和1550nm双频激发条件下，红绿发射同时增强。这使上转换微晶有望成为多色显示领域的候选材料；对于钙、镁、铜掺杂的上转换材料，铜掺杂的阻抗最小，光电流最大。以及铍的掺杂效果不如锆等。掺杂离子的价态和半径对上转换骨架中离子周围局部对称性的扭曲、发生能量传递的空间距离、空穴和自由电子数的多少是这些改变的内在原因。随着相关基础研究的开展，这种同时具有上转换发光和光电性能的新型上转化微晶将会获得广泛应用。本研究的结果可为未来的红外增强型钙钛矿太阳能电池和红外传感器的发展提供支持，尤其对于强红外光源下的上转换红外增强型太阳能电池和主动辐照式红外探测方面更具参考价值。