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清华盛兴研究组:基于微型光电上转换器件的植入式光源
特斯拉 2018-06-18
导语

该研究成果为低创伤、无线、植入式光电神经接口的研究开辟了新的方向。

6月11日,清华大学电子系盛兴课题组在《美国科学院院刊》(PNAS)发表了题为《基于微型光电上转换器件的植入式光源》(Microscale optoelectronic infrared-to-visible upconversion devices and their use as injectable light sources)的研究论文。通过对设计制备新型的半导体光电异质结构,实现了从红外光到可见光的高效、快速上转换。制备的微型光源被植入活体动物体内, 实现了对生物神经系统的有效光遗传调控。该研究成果为低创伤、无线、植入式光电神经接口的研究开辟了新的方向。

光子上转换(photon upconversion)是将多个低能量光子转换成高能量光子的过程,即发射光的波长大于吸收光的波长。这种独特的反斯托克斯(anti-Stokes shift)发光的现象在生物医疗、红外探测、太阳能利用等方面有着重要的应用。然而,传统基于稀土元素、有机等荧光材料的上转换过程基于非线性的能量跃迁机制,需要高相干性和大功率激发光源激发,具有相对较低的转换效率和缓慢的响应速率。

:基于半导体异质结构的红外-可见光上转换器件及阵列

本文提出了新型的光电半导体异质结构的设计,制备出高度集成化的微型植入式波长上转换器件,成功的实现从近红外光到可见光各波段的发光上转换。通过运用新型的光-电转换机制,克服了传统非线性上转换材料的一系列问题,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。通过特殊的转移和封装方式,实现了可靠性高、生物兼容性好的植入上转换微型光源。

:植入活体动物神经系统的微型上转换器件

这种可无线控制和远程激发的上转换微型光源不仅解决了传统的植入式光纤、电缆等的有线光电能量传输方式的束缚,而且打破了电感耦合及电磁辐射等无线供能方式中大尺寸器件和传输距离的限制。通过与生物医学研究人员合作,将波长上转换光源探针植入活体动物皮下,利用近红光处于生物组织透明窗口波段范围和可穿透深层组织的特点,成功的激发和调制器件发射可见光。结合光遗传技术,将微型上转换光源植入动物脑内,利用近红外光成功实现了对神经系统的光学调控。该研究为低创伤、无线、植入式光电神经接口的实现提供了新的研究思路。

清华大学电子系助理教授盛兴为本文的通讯作者,电子系博士后丁贺和北京生命科学研究所-清华大学生命科学学院2014级博士生卢立辉为共同第一作者,合作者 包括北京生命科学研究所-清华大学生命科学学院罗敏敏教授,清华大学材料学院助理教授尹斓、 赵凌云副研究员,宾夕法尼亚州立大学的助理教授诺尔·吉宾克(Noel C. Giebink)等。本工作获得了中组部青年千人计划、国家自然科学基金、北京信息科学与技术国家研究中心的经费支持。

文章链接:

He Ding, et al, "Microscale optoelectronic infrared-to-visible upconversion devices and their use as injectable light sources," PNAS, June 11, 2018.201802064

(本文来源:清华大学新闻网;)

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  • 光电上转换
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作者 特斯拉

副研究员

中科院

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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