--在南京理工大学，有这样一位特殊的青年教授李宁，即在成为一名学者之前，他曾经是一名创业者。
几年前，他不仅在香港浸会大学顺利拿到博士学位，期间还和博士导师朱福荣教授共同创办了宏视科技有限公司（Crimson Vision Tech Ltd.）。
图 | 李宁（来源：李宁）
该公司曾获得香港科技创新署创新及科技基金资助，并由香港浸会大学卓越电子研究中心提供技术支持，主要业务为研发近红外探测器件。经过多年的发展，宏视科技已经在高精度红外探测成像等方面研发了一系列红外技术，并已用于水果糖度检测等实际场景。
后来，李宁继续留在香港浸会大学完成第一站博士后研究。再后来，他又来到美国加州大学圣地亚哥分校完成第二站博士后研究。2022 年，他回国加入南京理工大学延续之前的研究方向。
具有波长选择性的上转换型红外探测器
近日，他和团队利用有机半导体活性层的选择性吸收特性，开发出两个具有波长选择性的上转换型红外探测器，响应峰分别在 860nm 和 890nm，并具有 125nm 和 170nm 的半高全宽，且展现出波长选择性的电子和光学的双重读出功能。
也就是说在红外信号的照射之下，探测器既可以输出光电流信号，又能直接显示红外光的形状。
此次研发的上转换型探测器，在光响应显示和可见光显示中所表现出的波长选择性，对于排除背景光噪声有着重要作用，这让它能有效消除宽谱上转换探测器中环境光的干扰，并能在微型化多功能应用上发挥功能。
（来源：Advanced Functional Materials）
首先，将能用于可穿戴医疗装置。
当有机半导体配合柔性基底和封装技术，既能满足半导体材料柔性化的需求，又具有无毒无害的特性，因此能够满足医疗设施的要求。
比如，可以使用基于有机半导体的探测器来监测人体心跳，从而将其用于可穿戴医疗。
具体来说，对于光电容积脉搏波描记法技术来说，它能利用由手指血液脉冲调制的透射红外光的周期性强度变化，来针对心率实现有效监测，并能针对血氧进行分析，从而能在心脏疾病监控上发挥价值。
其次，将能用于微塑料样品的可视化检测。
尽管微塑料在可见光下呈白色非常难以识别，但在红外光的照射下它们将会变得易于区分。
当红外光穿过微塑料样品并到达上转换探测器时，由于部分红外光被吸收，微塑料将在上转换探测器上投下阴影。
这时，样品上微塑料的分布将在上转换探测器上表现为黑点形式，通过此将有助于评估微塑料污染程度以及保障食品安全。
再次，将能用于物品检查。
在一些工业领域，工厂通常需要透过硅片进行检查，硅在可见光中呈现出不透明性，但是对于短波红外光有着较高的透射率。
因此，上转换探测器能够清楚地显示被硅片覆盖的器件结构和装置形状，从而实现无损伤的检查。
最后，将能用于环境监测。
在森林防火控制和环境安全保护等场景中，需要针对被雾霾被烟雾所遮挡的环境进行成像。
在烟雾的影响之下可见光会被强烈散射，而红外光可以穿透烟雾，因此上转换探测器能被用于小型化的透烟雾成像装置，以便明确显示被烟雾遮挡的环境，从而为火情防控发挥作用。
（来源：Advanced Functional Materials）
“一气呵成，回家过年”
李宁所研究的方向具有较强的应用性，因此本次研究也是基于领域内存在的应用痛点启动而来。
传统红外探测与成像技术，主要基于无机半导体材料例如锗、铟镓砷、碲镉汞等。尽管基于无机半导体的红外探测技术已经得到广泛应用，但仍然存在价格昂贵和功能单一等问题。
此外，在制造柔性的大面积多功能设备上，无机半导体红外探测技术也面临诸多挑战。
近年来，有机红外半导体技术正在迅速发展。有机红外半导体具备优异的成本效益、独特的结构-性能关系以及良好的机械柔韧性，这让其性能逐渐能和无机红外半导体相媲美，并在光电探测领域与成像技术领域展现出巨大潜力。
对于上转换型红外探测器来说，它能将红外光探测单元与可见光发光单元集成在一起，以紧凑的结构实现高效的红外光探测和红外光可视化。
对于上转换型红外探测器来说，通过利用有机半导体灵活的制备工艺，它能借助低成本层层加工的方案，将不同功能的半导体集成到一起。
这样一来，就能有效避免传统半导体集成过程中的晶格匹配、热膨胀系数匹配等问题，进而更方便地实现多功能的集成。
然而，此前的上转换型红外探测器通常具有较宽的响应波段，故在工作时容易受到环境杂散光信号的影响，导致其实际应用遭到了限制。为了解决这一问题，他开始了本次研究。
事实上，本次研究的顺利完成，也基于他在最近六年来的跨越海内外的学术积累。
从 2018 年在香港浸会大学读博开始，他就一直密切关注小型化红外探测、成像器件这一研究领域。
他表示通过利用上转换技术，能将红外探测器与可见光发射器进行结合，从而实现红外成像器件的小型化。
同时，这项技术无需依赖复杂的探测器阵列和昂贵的读出电路，只需将大面积探测器单元与大面积可见光发射单元进行叠合，就能实现人眼不可见红外光的直接显示，即这是一种不需要像素化的成像方式。
但在当时仅有国外几支课题组开展过相关研究，而且器件的成像效率和成像性能都较为有限。
读博期间，李宁曾尝试过不同的器件结构，也尝试使用不同的界面半导体材料来优化器件性能。
他表示：“我在这方面的第一个工作中，利用了国家纳米科学中心研究团队所开发的近红外小分子受体，借此实现了对于近红外光的上转换成像。”
当鲜艳的绿光从器件发射出来时，他感受到了成功的喜悦。尽管当时已经临近年末，但是他和同事迅速整理实验数据并撰写论文，一气呵成之后带着满足和欣喜回家过年。
最终，相关论文发表于 Advanced Optical Materials，同时这篇论文也是他在读博期间较为满意的论文之一。
曾和全球打印电子先驱合作，归国后继续耘耔红外成像
博士毕业之后，他加入美国加州大学圣地亚哥分校 Tse Nga Ng 教授团队从事博士后研究，后者是打印电子领域的先驱之一，也是美国国家发明家学会院士。
在美国，他进一步拓展了上转换成像器件的光谱响应范围，通过结合博后合作导师在短波红外领域的先进技术，制备了全溶液法处理的短波红外可视化器件。
借此也展示了上转换型短波红外成像器件在透雾、透硅成像和血管成像等方面的应用，体现了该类成像器件在生物医疗和辅助驾驶等领域的应用前景。
在上述工作的基础之上，回国加入南京理工大学任教的他开展了本次探索。
其表示，红外成像不可避免会受到环境光的影响，从而导致成像质量的下降，因此很有必要针对环境光进行滤除。
此前，人们往往利用滤光片方法来解决这一问题，但这不仅会让系统变得复杂，也会导致可靠性的下降。
而如果探测器具备波长选择性，只针对目标光的波长发生响应，则将大幅提升器件在环境光下的灵敏度。
为此，他曾考虑采用微纳结构针对入射光进行调控与选择性滤过，但是这种方法也会让器件变得过于复杂，并且不利于大规模生产。
深入研究之后，他和同事最终选择使用有机半导体来制备上转换成像器件的探测单元。果不其然，所制备出来的探测单元具有可选择的吸收特性。
通过优化器件结构以及优化半导体薄膜的厚度，在 860nm 和 890nm 处实现了具有波长选择性的窄带探测能力，从而实现了具有特定波段响应的红外上转换成像器件。
（来源：Advanced Functional Materials）
该成像器件具有电学和光学的双读出功能，当器件在红外光的照射之下，既能输出电流信号来让计算机进行处理，还能输出可见光图像从而方便人眼进行直接观察。这不仅极大提升了器件的多功能性，也增强了其在不同场景中的适应能力。
日前，相关论文以《用于小型化光检测和可视化的波长选择性近红外有机上转换探测器》（Wavelength-Selective Near-Infrared Organic Upconversion Detectors for Miniaturized Light Detection and Visualization）为题发在 Advanced Functional Materials（IF 18.5）。
李宁是第一作者兼共同通讯，南京理工大学隋修宝教授担任共同通讯作者 [1]。本成果依托的团队负责人是南京理工大学教授、中北大学校长陈钱教授。
图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
目前，他和团队已经在多功能红外成像方向积累了一系列的成果 [2]，研究内容覆盖光谱拓展、界面优化、器件结构创新等。
此前，他针对上转换成像的研究，主要集中在提升器件的转换效率以及拓展光谱范围上。而本次论文则是该课题组在窄带红外探测与可视化领域的首次尝试。
他表示，本次论文通过利用半导体的吸收特性，实现了近红外的选择性探测与选择性成像。
但是，当前器件的响应光谱带宽在 100nm 范围，因此仍有进一步缩小的潜力。假如打造出更窄的探测带宽，就能更好地提高器件灵敏度。
所以，他和课题组将继续致力于上转换成像技术的研究，尝试采用更精细的器件制备方案，以便实现更加精确的窄带响应红外成像技术。
同时，也将继续扩展红外光谱范围，从而拓宽这一技术的应用空间。
参考资料：
1.Li, N., Hu, X., Lu, Y., Li, Y., Ren, M., Luo, X., ... & Sui, X. (2024). Wavelength‐Selective Near‐Infrared Organic Upconversion Detectors for Miniaturized Light Detection and Visualization.Advanced Functional Materials, 2411626.
2.Adv. Funct. Mater., 2024, doi:10.1002/adfm.202411626；Chem. Eng. Journal, 2024, 490, 151573；Adv. Opt. Mater., 2023, 12(9), 2302021；Adv. Funct. Mater., 2021, 31 (16): 2100565；Adv. Sci., 2020, 7 (14): 2000444；Adv. Opt. Mater., 2018, 6 (24): 1801084.
排版：初嘉实
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05/
