北理工團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)甚長波紅外波段的探測及成像應(yīng)用
發(fā)布日期：2024-04-25 供稿：光電學(xué)院 攝影：光電學(xué)院
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圖1. 長波及甚長波紅外量子點(diǎn)探測器
近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院郝群教授團(tuán)隊(duì)陳夢璐準(zhǔn)聘教授突破現(xiàn)有量子點(diǎn)探測波長極限，首次實(shí)現(xiàn)甚長波紅外波段的探測及成像應(yīng)用（如圖1所示）,，研究成果以“Very Long Wave Infrared Quantum Dot Photodetector up to 18 μm”為題發(fā)表于光學(xué)頂刊Light：Science & Applications。
紅外波段與大氣窗口相匹配，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、氣體傳感和危害探測。根據(jù)瑞利散射定律,，散射與波長的四次方成反比,，所以長波紅外(LWIR, 6-15 μm)和甚長波紅外(VLWIR,15-30 μm)在傳播距離上更具有優(yōu)勢。然而該波段不能被人眼直接感知,，需要借助于光電探測器,。紅外光電探測器能把所接受的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號，是紅外探測和成像系統(tǒng)的核心部件,，也是紅外技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵,。
目前，光子型紅外探測器是依靠碲鎘汞和II型超晶格等昂貴外延材料,，其信號導(dǎo)出需要與讀出電路倒裝鍵合,，工藝復(fù)雜。相比之下,，膠體量子點(diǎn)作為新型半導(dǎo)體材料,，具有紅外波段可調(diào)控、化學(xué)法制備成本低,、與硅基電路直接耦合的優(yōu)勢,，為紅外探測器件提供了新思路。2023年,，量子點(diǎn)及光電應(yīng)用相關(guān)成果獲得諾貝爾獎(jiǎng),，然而其光電應(yīng)用主要波段仍局限于可將光等較短波段。這是由于量子限域效應(yīng)打開塊體半導(dǎo)體帶隙,，即相應(yīng)塊體半導(dǎo)體帶隙決定了量子點(diǎn)能級下限和探測波長極限,。
為超越現(xiàn)有量子點(diǎn)紅外探測波長極限，本項(xiàng)工作突破了極限尺寸半金屬量子點(diǎn)合成及光電器件制備技術(shù),，首次實(shí)現(xiàn)甚長波紅外18微米量子點(diǎn)光電探測器,。本項(xiàng)工作基于零帶隙半金屬材料，設(shè)計(jì)了高活性,、離去性前驅(qū)體,，開發(fā)了成核-生長分離的滴定生長技術(shù)，獲得高穩(wěn)定性的近玻爾半徑尺寸量子點(diǎn)膠體且其吸收譜覆蓋長波紅外及甚長波紅外（如圖2所示）,。
圖2. 極限尺寸半金屬量子點(diǎn)紅外吸收光譜及形貌圖
本工作通過薄膜場效應(yīng)管及雙電位電化學(xué)實(shí)驗(yàn)探明了極限尺寸紅外量子點(diǎn)光電探測性能的主要限制是光生載流子漂移長度與傳輸通道長度相比較短,。針對該難點(diǎn),，研究組在前期配體交換（Nature Materials 2020, 19, 323–329. https://doi.org/10.1038/s41563-019-0582-2）及表面偶極子摻雜調(diào)控（Light: Science & Applications 2023, 12 , 2，https://doi.org/10.1038/s41377-022-01014-0）工作的基礎(chǔ)之上,，提出了碘離子配體修飾方法（如圖3所示）,，鈍化量子點(diǎn)的富金屬表面，實(shí)現(xiàn)摻雜精準(zhǔn)調(diào)控,。
圖3. 碘溶液處理過程示意圖
一方面,，碘離子鈍化降低了N型摻雜載導(dǎo)致的帶內(nèi)躍遷競爭，抑制了載流子背散射,，降低了器件的暗電流及暗噪聲,。另一方面，短鏈配體交換技術(shù),，提高了量子點(diǎn)中載流子電學(xué)耦合強(qiáng)度,，大幅度提升量子點(diǎn)載流子遷移率100倍，提高了光生載流子收集效率,。該方法極大的提升了器件的性能,，例如，在80K下的10微米長波紅外探測器比探測率超過109Jones,，響應(yīng)度0.13A/W, 比現(xiàn)有報(bào)道提升了100倍,。同時(shí)，本工作首次突破現(xiàn)有量子點(diǎn)波長探測極限至18微米甚長波紅外（如圖4所示）,，該波段獨(dú)特亞穩(wěn)態(tài)物性為臨界量子態(tài)研究依據(jù),。
圖4. 光電探測器的響應(yīng)光譜及單點(diǎn)掃描成像應(yīng)用
綜上，此次工作突破極限尺寸量子點(diǎn)合成技術(shù),，提出碘離子量子點(diǎn)表面鈍化從而實(shí)現(xiàn)摻雜精確調(diào)控及輸運(yùn)性質(zhì)優(yōu)化,，并以此為基礎(chǔ)制備光電探測器，突破現(xiàn)有量子點(diǎn)光探測波長極限至甚長波紅外,。
在科學(xué)意義上,，紅外量子點(diǎn)是量子力學(xué)與納米技術(shù)的結(jié)合，其物理性質(zhì)臨界于塊體及納米材料,、金屬及半導(dǎo)體之間,。本工作極大促進(jìn)了量子點(diǎn)表面態(tài)及光電極限特性研究。
在技術(shù)意義上,，極限尺寸半金屬量子點(diǎn)合成技術(shù)拓寬了紅外材料選擇范圍,、豐富了紅外材料制備方法。本工作成功驗(yàn)證了探測器的實(shí)際應(yīng)用功能,。
該研究成果第一作者薛曉夢博士研究生,、郝群教授、陳夢璐準(zhǔn)聘教授,，通訊作者陳夢璐準(zhǔn)聘教授,。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01436-y
附作者介紹：
陳夢璐,，北京理工大學(xué)準(zhǔn)聘教授。國家級青年人才,，北京市科技新星,，中國科協(xié)青年托舉人才。長期從事紅外量子點(diǎn)材料及探測成像相關(guān)工作,，以第一或通訊作者發(fā)表包括Nature Materials,，Light: Science & Applications, ACS Nano在內(nèi)的SCI論文30余篇。在室溫運(yùn)行紅外量子點(diǎn)光電探測器,、帶內(nèi)躍遷窄帶紅外量子點(diǎn)探測器,、長波及甚長波量子點(diǎn)紅外探測器等方面均實(shí)現(xiàn)國際首創(chuàng)性突破。
郝群,，北京理工大學(xué)兼職教授,。國家級高層次人才,，科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人,，教育部跨世紀(jì)優(yōu)秀人才，北京市教學(xué)名師,，全國“巾幗建功”標(biāo)兵,。長期在新型光電成像傳感技術(shù)和光電精密測試技術(shù)領(lǐng)域從事教學(xué)和科研工作，主要研究方向包括新型光電成像技術(shù),、仿生光電感測技術(shù),、抗振干涉測量技術(shù)及儀器等方面。主持國家自然科學(xué)基金儀器專項(xiàng)/重點(diǎn)項(xiàng)目,、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、國家863項(xiàng)目等。
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