Research Progress of Colloidal Quantum Dot Infrared Upconversion Detectors

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.05.003

Abstract

Abstract:

Infrared upconversion detectors are devices comprising an infrared photodetector (PD) and a visible light?emitting diode (LED) stacked in series, which directly convert invisible infrared signals into visible emission and enable imaging with CCD or CMOS cameras. Compared with conventional electrical readout schemes, the upconversion approach eliminates readout circuits and complex algorithms, offering simplified fabrication and reduced cost. Colloidal quantum dots (CQDs), with solution processability, tunable bandgaps, and compatibility with diverse substrates, provide a key materials platform for constructing low?cost, large?area upconversion devices that operate at room temperature. This review briefly outlines the operating mechanisms of upconversion devices, defines the key performance metrics of CQD?based upconversion detectors, and systematically surveys recent representative advances in two areas: luminescent?material engineering and device/interface engineering. Finally, we summarize the current status and challenges and propose several research directions.

Key words: Colloidal quantum dots, Photodetector, Light?emitting diode, Infrared upconversion detector, Infrared imaging

摘要：

红外上转换探测器是一种由红外光电探测器（PD）和可见光发光二极管（LED）串联堆叠构成的器件，可将不可见的红外光信号直接转换为可见光输出或经CCD、CMOS相机等可见光成像设备实现成像。相比于传统电学读出方案，上转换路线无需读出电路与复杂算法，具有制备工艺简单和成本低廉等优势。胶体量子点（CQDs）兼具可溶液加工、带隙可调且与多种基底兼容等特性，为构建低成本、大面积且可在室温下工作的上转换器件提供了关键材料平台。简要概述上转换器件的工作机制，阐述量子点上转换器件的关键性能指标，并从发光材料调控、器件结构及界面调控两部分系统梳理近年代表性研究进展，最后对研究现状和挑战进行了总结，提出了若干研究方向与建议。

关键词: 胶体量子点, 光电探测器, 发光二极管, 红外上转换探测器, 红外成像

CLC Number:

TN215

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Figures/Tables 10

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年份	红外探测单元	可见发光单元	最高光对光转换效率/%	光态开启电压/V
2011^[15]	PbSe(1 500 nm)	CBP:Ir(ppy)₃(520 nm)	1.3（13 V、1 300 nm）	4.0（1 cd/m²）
2016^[20]*	PbS(1 043 nm)	TCTA:Ir(ppy)₃(550 nm)	1597（10 V、1 043 nm）	7.5（0.1 cd/m²）
2019^[21]	PbS(966 nm)	CdSe/ZnS(628 nm)	3.35（10 V、970 nm）	2.5（0.01 cd/m²）
2020^[16]	PbS(1 500 nm)	CdSe/ZnS(525 nm)	6.5（10 V、940 nm）	2.5（0.1 cd/m²）
2020^[10]	PbS(860 nm)	CdSe(624 nm)	6.3（15 V、970 nm）	2.5（0.02 cd/m²）
2024^[17]	PbS(980 nm)	ZnCdSe/ZnS(633 nm)	6.9（6 V、980 nm）	2.2（0.1 cd/m²）
2024^[22]	PbS(1 200 nm)	CdSe/CdZnS(640 nm)	1.9（16 V、1 200 nm） 3.2（30 V、1 200 nm）	3.0（0.01 cd/m²）
2024^[23]	PbS(980 nm)	CdSe(633 nm)	3（3 V、980 nm）	1.2（0.1 cd/m²）
2024^[26]*	PbS(980 nm)	ZnCdSeS/ZnS(Green)	982（13.5 V、980 nm）	3.0（1 cd/m²）
2025^[25]	PbS(941 nm)	CdSe/ZnS(634 nm)	12.8（8 V、940 nm）	1.8（1 cd/m²）
2025^[18]	PbS(1 500 nm)	Perovskite(520 nm)	10.6（6 V、980 nm）	2.9（1 cd/m²）
2025^[24]	PbS(1 400 nm)	CBP:Ir(ppy)₃(516 nm)	11.08（15 V、980 nm）	2.0（1 cd/m²）
2025^[19]	HgTe(2 500、4 500 nm)	BCzPh: 3P⁃T2T: Ir(ppy)₂(acac) (520 nm)	6.41（15 V、2 500 nm） 4.06（15 V、4 500 nm）	3.0/4.8（1 cd/m²）

年份	红外探测单元	可见发光单元	最高光对光转换效率/%	光态开启电压/V
2011^[15]	PbSe(1 500 nm)	CBP:Ir(ppy)₃(520 nm)	1.3（13 V、1 300 nm）	4.0（1 cd/m²）
2016^[20]*	PbS(1 043 nm)	TCTA:Ir(ppy)₃(550 nm)	1597（10 V、1 043 nm）	7.5（0.1 cd/m²）
2019^[21]	PbS(966 nm)	CdSe/ZnS(628 nm)	3.35（10 V、970 nm）	2.5（0.01 cd/m²）
2020^[16]	PbS(1 500 nm)	CdSe/ZnS(525 nm)	6.5（10 V、940 nm）	2.5（0.1 cd/m²）
2020^[10]	PbS(860 nm)	CdSe(624 nm)	6.3（15 V、970 nm）	2.5（0.02 cd/m²）
2024^[17]	PbS(980 nm)	ZnCdSe/ZnS(633 nm)	6.9（6 V、980 nm）	2.2（0.1 cd/m²）
2024^[22]	PbS(1 200 nm)	CdSe/CdZnS(640 nm)	1.9（16 V、1 200 nm） 3.2（30 V、1 200 nm）	3.0（0.01 cd/m²）
2024^[23]	PbS(980 nm)	CdSe(633 nm)	3（3 V、980 nm）	1.2（0.1 cd/m²）
2024^[26]*	PbS(980 nm)	ZnCdSeS/ZnS(Green)	982（13.5 V、980 nm）	3.0（1 cd/m²）
2025^[25]	PbS(941 nm)	CdSe/ZnS(634 nm)	12.8（8 V、940 nm）	1.8（1 cd/m²）
2025^[18]	PbS(1 500 nm)	Perovskite(520 nm)	10.6（6 V、980 nm）	2.9（1 cd/m²）
2025^[24]	PbS(1 400 nm)	CBP:Ir(ppy)₃(516 nm)	11.08（15 V、980 nm）	2.0（1 cd/m²）
2025^[19]	HgTe(2 500、4 500 nm)	BCzPh: 3P⁃T2T: Ir(ppy)₂(acac) (520 nm)	6.41（15 V、2 500 nm） 4.06（15 V、4 500 nm）	3.0/4.8（1 cd/m²）