北理工團(tuán)隊(duì)在帶內(nèi)躍遷中波紅外光電探測(cè)方面取得突破性進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-07-18 供稿：光電學(xué)院
編輯：盛筠 審核：董立泉 閱讀次數(shù)：
北京理工大學(xué)光電學(xué)院郝群教授團(tuán)隊(duì)成員陳夢(mèng)璐準(zhǔn)聘教授、唐鑫教授在《ACS NANO》期刊上發(fā)表了題為“Mid-Infrared Intraband Photodetector via High Carrier Mobility HgSe Colloidal Quantum Dots”的文章,，利用低成本膠體量子點(diǎn)導(dǎo)帶中1Se到1Pe的能級(jí)躍遷,，實(shí)現(xiàn)低成本中波紅外帶內(nèi)躍遷探測(cè)。
紅外材料和器件的研究是紅外技術(shù)發(fā)展的核心,，實(shí)現(xiàn)低成本高性能的紅外探測(cè)器是該領(lǐng)域的未來發(fā)展方向,。然而由于光電效應(yīng)限制，紅外材料受限于窄帶半導(dǎo)體材料,。利用材料的帶內(nèi)躍遷可以突破紅外光電材料對(duì)帶隙的限制,，極大拓寬紅外材料的選擇范圍、豐富紅外材料的制備方法，是降低紅外材料于器件成本的有效路徑之一,。該工作利用膠體量子點(diǎn)液相合成與加工的優(yōu)勢(shì),，開發(fā)了室溫混相配體交換的方法，在量子限域效應(yīng)下實(shí)現(xiàn)高載流子遷移率(~1 cm2/Vs)及導(dǎo)帶內(nèi)摻雜的精確調(diào)控,，使帶內(nèi)躍遷中紅外光電探測(cè)器在響應(yīng)速度上提升1000倍（達(dá)到數(shù)微秒量級(jí)）,，響應(yīng)度提升55倍.在黑體輻射下，中波5微米比探測(cè)率大于1.7×109 Jones,，首次獲得了基于帶內(nèi)躍遷膠體量子點(diǎn)紅外相機(jī)的熱成像,，并實(shí)現(xiàn)了探測(cè)精度0.25 ppm至2000 ppm的CO2氣體傳感器。
圖1 帶內(nèi)躍遷量子點(diǎn)混相配體交換過程及表征
圖2 HgSe膠體量子點(diǎn)光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)
帶內(nèi)躍遷紅外材料體系,，對(duì)摻雜精確調(diào)控和載流子輸運(yùn)控制提出了更高的要求,。該工作開發(fā)了帶內(nèi)躍遷膠體量子點(diǎn)混相配體交換方法（圖1），可以有效減小量子點(diǎn)之間的間距,，實(shí)現(xiàn)表面偶極子摻雜精確調(diào)控,，并且使得材料在空氣環(huán)境下穩(wěn)定。并且搭建了光譜電化學(xué)平臺(tái)（圖2）,，獲得精確的HgSe膠體量子點(diǎn)能帶結(jié)構(gòu),，證明材料中無明顯缺陷態(tài)。
圖3 光導(dǎo)型探測(cè)器表征
圖4 氣體檢測(cè)
由此制備而成了膠體量子點(diǎn)帶內(nèi)躍遷紅外相機(jī),，并成功實(shí)現(xiàn)熱成像（圖3）,。與低遷移率的帶內(nèi)躍遷膠體量子點(diǎn)探測(cè)器相比，該探測(cè)器響應(yīng)度提升了55倍,，比探測(cè)率提升了10倍至1.7×109 Jones,。并且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)微秒的快速響應(yīng)（圖4）。其中波窄帶探測(cè),、響應(yīng)速度快的特點(diǎn),，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室氣體的靈敏探測(cè)。以CO2為例,，結(jié)合邁克爾遜干涉儀,， 本文成功結(jié)合實(shí)現(xiàn)了探測(cè)精度0.25 ppm至2000 ppm的CO2氣體傳感器。
隨著近年來人工智能,、自動(dòng)駕駛,、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展,，各領(lǐng)域?qū)t外信息的需求不斷增長(zhǎng),。該成果利用膠體量子點(diǎn)低成本、液相加工的優(yōu)勢(shì),，提出利用帶內(nèi)躍遷進(jìn)行紅外探測(cè)器這一新概念,，并首次實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用價(jià)值的帶內(nèi)躍遷中波紅外光電探測(cè)器,，驗(yàn)證了其紅外相機(jī)、高靈敏溫室氣體檢測(cè)等功能,，對(duì)低成本,、高性能的紅外探測(cè)器發(fā)展起到了重要推進(jìn)作用。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c03631
附作者簡(jiǎn)介：
郝群,，北京理工大學(xué)特聘教授,、光電學(xué)院院長(zhǎng)。1998年于清華大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位,，2003年破格提升為教授,，2004年聘為博導(dǎo)，1999-2001兼任日本東京大學(xué)客座研究員,，2011兼任美國(guó)Case Western Reserve University講座教授,。高校創(chuàng)新引智基地負(fù)責(zé)人，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(guó)“巾幗建功”標(biāo)兵,。長(zhǎng)期在新型光電成像傳感技術(shù)和光電精密測(cè)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(cè)技術(shù),、抗振干涉測(cè)量技術(shù)及儀器等方面。主持過多項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目,，包括國(guó)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、基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃項(xiàng)目,、GF基礎(chǔ)科研重大/重點(diǎn)項(xiàng)目,、國(guó)家863項(xiàng)目等。擔(dān)任中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)常務(wù)理事,、光電專業(yè)委員會(huì)主任委員,，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)常務(wù)理事、光機(jī)電技術(shù)與系統(tǒng)集成分會(huì)常務(wù)副理事長(zhǎng),，中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)常務(wù)理事,，中國(guó)兵工理事、光學(xué)專業(yè)委員會(huì)主任委員,，中國(guó)光學(xué)光電子協(xié)會(huì)理事,、紅外分會(huì)副理事長(zhǎng)等社會(huì)兼職。擔(dān)任《Defense Technology》雜志副主編,。
陳夢(mèng)璐,，北京理工大學(xué)光電學(xué)院準(zhǔn)聘教授,，博士生導(dǎo)師。中國(guó)科協(xié)“青年人才托舉工程”,、北京市“科技新星”等支持計(jì)劃,。2015年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院獲理學(xué)學(xué)士，2020年畢業(yè)于美國(guó)芝加哥大學(xué)物理系獲博士學(xué)位,。長(zhǎng)期從事膠體量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)與成像研究工作,，在紅外量子點(diǎn)輸運(yùn)物性優(yōu)化、室溫運(yùn)行高性能中波紅外探測(cè)器,、帶內(nèi)躍遷窄帶紅外探測(cè)等方面獲得突破性成果,，在Nature Materials、ACS Nano等SCI雜志上發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇,。
唐鑫,，北京理工大學(xué)光電學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師,。中國(guó)科協(xié)“青年人才托舉工程”等支持計(jì)劃,。長(zhǎng)期從事新型膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)器及焦平面陣列的研究及系統(tǒng)開發(fā)工作，波段涵蓋短波,、中波以及長(zhǎng)波等多個(gè)重要紅外大氣窗口,。相關(guān)成果以第一作者/通訊作者發(fā)表于Nature Photonics、Advanced Materials,、ACS Nano等期刊上?，F(xiàn)主持國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目等項(xiàng)目多項(xiàng),。
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