星空体育官网Light 基于光电半导体上转换设计的微纳温度传感器

　　星空体育官网温度是直接反映生物体特征的重要参数，其变化会产生诸多方面影响，过高或过低的体温甚至会危及生命。近几年，由于新冠病毒等引起器官炎症反应进而导致体温升高，对体温的监测变得更频繁和更重要。因此，借助高性能器件和先进手段对生物组织温度的精确监测，具有巨大应用潜力。

　　图1 （a）体温是衡量人体健康的重要指标之一；（b）新冠疫情中对体温检查。

　　光学传感具有无线化、便捷化、高分辨和无（低）创伤等优势，是主要的一种温度检测方式。基于被测物体和测试场景的要求，可以选择合适的测试设备和方法。

　　传统的红外温度探测受限于被测物体表面辐射特性，高灵敏光学谐振腔的传感需要精密的设备进行协助，温度相变材料的颜色变化高度依赖于观测角度，种种因素导致上述方法在面向生物温度应用中遭遇到一定的挑战。

　　荧光传感作为一种基于发射光变化响应方式，通过改变与温度相关的发光强度、波长和衰减寿命等特性进行探测，受到了广泛关注。

　　不同于传统的荧光（下转换发光）转换方式星空体育官网，上转换发光可以将低能量的光子（如近红外光）转换为高能量的光子（如可见光），具有激发光对生物组织穿透深度高、不易导致自发荧光和发射光可视化等一系列优势。通过温度变化影响上转换发光性能，可有效实现对生物组织的温度传感响应。

　　基于前期开发的集成化光电半导体异质结构设计，清华大学盛兴副教授团队成功地实现从近红外光到可见光波段的上转换发光（PNAS, 115 (26) 6632-6637, 2018）。光电半导体上转换器件基于新型的“光电–电光”转换机制星空体育官网，解决了传统非线性上转换材料的低效率星空体育官网、低稳定性、发光单色性差等难题，实现了低光照下的线性近红外到可见光的上转换，同时将能量转换的响应时间缩减至纳秒量级。

　　图2 基于光电半导体异质结构的上转换设计的（a）电路图；（b）外延结构扫描电镜（SEM）照片；（c）器件示意图。

　　该工作由北京理工大学光电学院丁贺助理教授和清华大学电子工程系盛兴副教授完成，合作者包括北京理工大学杨健教授、王涌天教授，清华大学材料学院付昕博士、尹斓副教授，以及博士生蔡雪、唐果、史钊、谢杨和研究生吕国庆、成子怡和彭焰秀，本科生陈君宇等。本工作获得了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、深圳市科技计划和恩三前沿创新基金的经费支持。此外，感谢清华大学微纳加工中心和北京理工大学微纳加工中心的技术支持星空体育官网。

　　在本项研究中，研究人员系统地探索了光电半导体上转换器件与温度相关的发光特性。通过分析半导体材料的能带特性和集成电路结构设计与温度之间关系，巧妙地借助温度变化过程中光电半导体上转换结构中 LED 和光电池电流电压的失配现象，实现了上转换发光的强度与峰值随温度变化的高灵敏双重响应。

　　图3（a）光电半导体上转换器件在不同温度下发光光谱变化；（b）随着温度升高，上转换发光强度变低和波峰位置红移。

　　研究人员采用微纳加工技术制备了阵列化的微型光电上转换器件星空体育官网，获得了空间温度分布的可视化展示。将器件与生长基底剥离并与光纤系统集成，研制出电磁兼容（MRI）的一体化微型温度传感器。将该温度传感器置于体外和体内环境中，成功实现了对人呼气活动和动物大脑深处温度变化的动态监测，展显出优异的生物相容性、稳定性和深层组织温度的监测能力。

　　图4（a）阵列化的微型光电半导体上转换器件对温度分布的响应；与光纤集成化一体化设计（b）对呼气温度和（c）对小鼠脑部温度变化的记录。

　　本研究的开展，不仅拓宽了上转换机制的设计思路与相应的加工方法，而且推动了“后摩尔时代”的光电半导体信息技术在医疗健康等领域的快速发展。

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