清華電子系盛興研究組在基于微型光電上轉(zhuǎn)換器件的植入式光源方面取得重要進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)6月15日電 6月11日，清華大學(xué)電子系盛興研究組在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表了題為《基于微型光電上轉(zhuǎn)換器件的植入式光源》（Microscale optoelectronic infrared-to-visible upconversion devices and their use as injectable light sources）的研究論文。通過(guò)設(shè)計(jì)制備新型的半導(dǎo)體光電異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從紅外光到可見(jiàn)光的高效、快速的轉(zhuǎn)換。制備的微型光源被植入活體動(dòng)物體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物神經(jīng)系統(tǒng)的有效光遺傳調(diào)控。該研究成果為低創(chuàng)傷、無(wú)線(xiàn)、植入式光電神經(jīng)接口的研究開(kāi)辟了新的方向。

光子上轉(zhuǎn)換（photon upconversion）是將多個(gè)低能量光子轉(zhuǎn)換成高能量光子的過(guò)程，即發(fā)射光的波長(zhǎng)小于吸收光的波長(zhǎng)。這種獨(dú)特的反斯托克斯（anti-Stokes shift）發(fā)光的現(xiàn)象在生物醫(yī)療、紅外探測(cè)、太陽(yáng)能利用等方面有著重要的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)基于稀土元素、有機(jī)等熒光材料的上轉(zhuǎn)換過(guò)程基于非線(xiàn)性的能量躍遷機(jī)制，需要高相干性和大功率激發(fā)光源激發(fā)，具有相對(duì)較低的轉(zhuǎn)換效率和緩慢的響應(yīng)速率。

基于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的紅外-可見(jiàn)光上轉(zhuǎn)換器件及陣列

本文提出了新型的光電半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，制備出高度集成化的微型植入式波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)換器件，成功的實(shí)現(xiàn)從近紅外光到可見(jiàn)光各波段的發(fā)光上轉(zhuǎn)換。通過(guò)運(yùn)用新型的光-電轉(zhuǎn)換機(jī)制，克服了傳統(tǒng)非線(xiàn)性上轉(zhuǎn)換材料的一系列問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了低光照下的線(xiàn)性近紅外到可見(jiàn)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)。通過(guò)特殊的轉(zhuǎn)移和封裝方式，實(shí)現(xiàn)了可靠性高、生物兼容性好的植入上轉(zhuǎn)換微型光源。

植入活體動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的微型上轉(zhuǎn)換器件

這種可無(wú)線(xiàn)控制和遠(yuǎn)程激發(fā)的上轉(zhuǎn)換微型光源不僅解決了傳統(tǒng)的植入式光纖、電纜等的有線(xiàn)光電能量傳輸方式的束縛，而且打破了電感耦合及電磁輻射等無(wú)線(xiàn)供能方式中大尺寸器件和傳輸距離的限制。通過(guò)與生物醫(yī)學(xué)研究人員合作，將波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)換光源探針植入活體動(dòng)物皮下，利用近紅光處于生物組織透明窗口波段范圍和可穿透深層組織的特點(diǎn)，成功的激發(fā)和調(diào)制器件發(fā)射可見(jiàn)光。結(jié)合光遺傳技術(shù)，將微型上轉(zhuǎn)換光源植入動(dòng)物腦內(nèi)，利用近紅外光成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)控。該研究為低創(chuàng)傷、無(wú)線(xiàn)、植入式光電神經(jīng)接口的實(shí)現(xiàn)提供了新的研究思路。

清華大學(xué)電子系助理教授盛興為本文的通訊作者，電子系博士后丁賀和北京生命科學(xué)研究所-清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2014級(jí)博士生盧立輝為共同第一作者，合作者包括北京生命科學(xué)研究所-清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院羅敏敏教授，清華大學(xué)材料學(xué)院助理教授尹斕、 趙凌云副研究員，賓夕法尼亞州立大學(xué)的助理教授諾爾·吉賓克（Noel C. Giebink）等。本工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心的經(jīng)費(fèi)支持。

論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1073/pnas.1802064115

供稿：電子系 編輯：徐靜 審核：襄楠