注：本文由課題組供稿

溫度是直接反映生物體特征的重要參數(shù)，其變化會(huì)產(chǎn)生諸多方面影響，過高或過低的體溫甚至?xí)＜吧?。近幾年，由于新冠病毒等引起器官炎癥反應(yīng)進(jìn)而導(dǎo)致體溫升高，對(duì)體溫的監(jiān)測(cè)變得更頻繁和更重要。因此，借助高性能器件和先進(jìn)手段對(duì)生物組織溫度的精確監(jiān)測(cè)，具有巨大應(yīng)用潛力。

圖1 （a）體溫是衡量人體健康的重要指標(biāo)之一；（b）新冠疫情中對(duì)體溫檢查。

光學(xué)傳感具有無線化、便捷化、高分辨和無（低）創(chuàng)傷等優(yōu)勢(shì)，是主要的一種溫度檢測(cè)方式。基于被測(cè)物體和測(cè)試場(chǎng)景的要求，可以選擇合適的測(cè)試設(shè)備和方法。

傳統(tǒng)的紅外溫度探測(cè)受限于被測(cè)物體表面輻射特性，高靈敏光學(xué)諧振腔的傳感需要精密的設(shè)備進(jìn)行協(xié)助，溫度相變材料的顏色變化高度依賴于觀測(cè)角度，種種因素導(dǎo)致上述方法在面向生物溫度應(yīng)用中遭遇到一定的挑戰(zhàn)。

熒光傳感作為一種基于發(fā)射光變化響應(yīng)方式，通過改變與溫度相關(guān)的發(fā)光強(qiáng)度、波長(zhǎng)和衰減壽命等特性進(jìn)行探測(cè)，受到了廣泛關(guān)注。

不同于傳統(tǒng)的熒光（下轉(zhuǎn)換發(fā)光）轉(zhuǎn)換方式，上轉(zhuǎn)換發(fā)光可以將低能量的光子（如近紅外光）轉(zhuǎn)換為高能量的光子（如可見光），具有激發(fā)光對(duì)生物組織穿透深度高、不易導(dǎo)致自發(fā)熒光和發(fā)射光可視化等一系列優(yōu)勢(shì)。通過溫度變化影響上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織的溫度傳感響應(yīng)。

基于前期開發(fā)的集成化光電半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，清華大學(xué) 盛興 副教授團(tuán)隊(duì)成功地實(shí)現(xiàn)從近紅外光到可見光波段的上轉(zhuǎn)換發(fā)光（PNAS, 115 (26) 6632-6637, 2018）。光電半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換器件基于新型的“光電–電光”轉(zhuǎn)換機(jī)制，解決了傳統(tǒng)非線性上轉(zhuǎn)換材料的低效率、低穩(wěn)定性、發(fā)光單色性差等難題，實(shí)現(xiàn)了低光照下的線性近紅外到可見光的上轉(zhuǎn)換，同時(shí)將能量轉(zhuǎn)換的響應(yīng)時(shí)間縮減至納秒量級(jí)。

圖2  基于光電半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的（a）電路圖；（b）外延結(jié)構(gòu)掃描電鏡（SEM）照片；（c）器件示意圖。

近期，北京理工大學(xué) 丁賀 助理教授、清華大學(xué) 盛興 副教授等人在 Light: Science & Applications 發(fā)表文章，題為 An Optoelectronic Thermometer based on Microscale Infrared-to-Visible Conversion Devices。

該工作由北京理工大學(xué)光電學(xué)院丁賀助理教授和清華大學(xué)電子工程系盛興副教授完成，合作者包括北京理工大學(xué)楊健教授、王涌天教授，清華大學(xué)材料學(xué)院付昕博士、尹斕副教授，以及博士生蔡雪、唐果、史釗、謝楊和研究生呂國(guó)慶、成子怡和彭焰秀，本科生陳君宇等。本工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃和恩三前沿創(chuàng)新基金的經(jīng)費(fèi)支持。此外，感謝清華大學(xué)微納加工中心和北京理工大學(xué)微納加工中心的技術(shù)支持。

在本項(xiàng)研究中，研究人員系統(tǒng)地探索了光電半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換器件與溫度相關(guān)的發(fā)光特性。通過分析半導(dǎo)體材料的能帶特性和集成電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與溫度之間關(guān)系，巧妙地借助溫度變化過程中光電半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中 LED 和光電池電流電壓的失配現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換發(fā)光的強(qiáng)度與峰值隨溫度變化的高靈敏雙重響應(yīng)。

圖3（a）光電半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換器件在不同溫度下發(fā)光光譜變化；（b）隨著溫度升高，上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度變低和波峰位置紅移。

研究人員采用微納加工技術(shù)制備了陣列化的微型光電上轉(zhuǎn)換器件，獲得了空間溫度分布的可視化展示。將器件與生長(zhǎng)基底剝離并與光纖系統(tǒng)集成，研制出電磁兼容（MRI）的一體化微型溫度傳感器。將該溫度傳感器置于體外和體內(nèi)環(huán)境中，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)人呼氣活動(dòng)和動(dòng)物大腦深處溫度變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，展顯出優(yōu)異的生物相容性、穩(wěn)定性和深層組織溫度的監(jiān)測(cè)能力。

圖4（a）陣列化的微型光電半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換器件對(duì)溫度分布的響應(yīng)；與光纖集成化一體化設(shè)計(jì)（b）對(duì)呼氣溫度和（c）對(duì)小鼠腦部溫度變化的記錄。

本研究的開展，不僅拓寬了上轉(zhuǎn)換機(jī)制的設(shè)計(jì)思路與相應(yīng)的加工方法，而且推動(dòng)了“后摩爾時(shí)代”的光電半導(dǎo)體信息技術(shù)在醫(yī)療健康等領(lǐng)域的快速發(fā)展。

| 論文信息 |

Ding, H., Lv, G., Cai, X. et al. An Optoelectronic thermometer based on microscale infrared-to-visible conversion devices. Light Sci Appl 11, 130 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00825-5

監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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