Self-Sensitized Upconversion Luminescence of Cs2NaErF6 Nanocrystals Toward Highly Responsive Photodetection under 1532 nm Illumination
本研究报告了通过利用通过缓解浓度猝灭实现高效自敏化上转换发光的 Tm³⁺ 掺杂、CaF₂ 壳层包覆的 Cs₂NaErF₆ 纳米晶体，开发出了具有 4.97 A/W 破纪录响应度的极高响应性 1532 nm 光电探测器。
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光在空气和水中传播的方式是肉眼无法察觉的，它在被称为近红外线的不可见光谱中携带了海量的信息。在这个隐藏的光谱中，位于1532纳米处的一个特定波段的光具有极高的价值，因为它在光纤中传输时几乎没有损耗，这使其成为了全球互联网通信的标准语言。为了捕捉这些信号，工程师长期以来一直依赖复杂的半导体器件，这些器件不仅制造过程昂贵，而且通常需要保持低温才能正常工作。科学家们一直在寻找一种更简单、更便宜且能在室温下工作的替代方案，其中一条充满希望的路径是使用微小的晶体，这些晶体可以吸收这种低能量的红外光，并将其转化为标准传感器可以轻松检测到的可见光。这个过程被称为“上转换”（upconversion），就像是一个将耳语转化为呐喊的翻译官，但几十年来，能够针对1532纳米波段进行此类转换的晶体一直由于亮度过暗而无法独立发挥作用。
福建物质结构研究所的一个研究小组现在创造了一种新型晶体，解决了这种亮度不足的问题，为开发可在室温下工作的超灵敏探测器打开了大门。他们首先设计了一种由铯、钠和铒（一种以其与红外光相互作用能力而闻名的稀土元素）组成的特定晶体结构。在许多传统晶体中，当你把过多的这些捕光原子紧密地堆积在一起时，它们往往会相互干扰，导致光能在被转换之前就消失了。研究人员发现，他们的新型晶体具有更大的原子间距，能够自然地防止这种干扰。这使得他们可以在不损失效率的情况下，在晶体中填充高浓度的吸光原子，从而创造出一种捕捉1532纳米光子能力极强的材料。
为了让信号变得更强，团队在混合物中引入了第二种稀土元素——铥，然后用一层氟化钙保护壳包裹住这些微小晶体。这种组合就像是光能的放大镜：铥原子有助于在晶体内捕捉并重新引导能量，而保护壳则防止能量通过表面缺陷泄露。结果是亮度的剧烈提升：新晶体发出的光比未涂层、未掺杂的版本亮了约22,000倍。这种光输出的巨大飞跃意味着，当这些晶体与一种对光敏感的材料结合时，生成的设备可以从极弱的入射光中产生强烈的电信号。
研究人员通过将这些增强后的晶体层叠在一种被称为MAPbI3的材料薄膜上，构建了一个工作探测器，该材料以其将光转化为电的能力而闻名。当他们将1532纳米的激光照射到该器件上时，其表现出的灵敏度足以媲美目前市面上最好的商用探测器，且无需冷却或复杂的制造工艺。该器件能够高度精确地检测光信号，即使光线必须穿过不同的材料。在一次实际测试中，团队展示了该探测器能够以极小的失真通过玻璃、塑料和水接收光信号。他们甚至利用该设备解码了一条通过水传输的信息，成功地将光脉冲还原成了字母“CAS”。这项工作表明，这些新晶体可以作为新一代光电探测器的核心，能够在室温下清晰地“看见”这种不可见的1532纳米光。
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