北理工團(tuán)隊在帶內(nèi)躍遷中波紅外光電探測方面取得突破性進(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)隊成員陳夢璐準(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導(dǎo)帶中1Se到1Pe的能級躍遷，實現(xiàn)低成本中波紅外帶內(nèi)躍遷探測。
紅外材料和器件的研究是紅外技術(shù)發(fā)展的核心，實現(xiàn)低成本高性能的紅外探測器是該領(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液相合成與加工的優(yōu)勢，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器在響應(yīng)速度上提升1000倍（達(dá)到數(shù)微秒量級），響應(yīng)度提升55倍.在黑體輻射下，中波5微米比探測率大于1.7×109 Jones，首次獲得了基于帶內(nèi)躍遷膠體量子點紅外相機的熱成像，并實現(xiàn)了探測精度0.25 ppm至2000 ppm的CO2氣體傳感器。
圖1 帶內(nèi)躍遷量子點混相配體交換過程及表征
圖2 HgSe膠體量子點光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)
帶內(nèi)躍遷紅外材料體系，對摻雜精確調(diào)控和載流子輸運控制提出了更高的要求。該工作開發(fā)了帶內(nèi)躍遷膠體量子點混相配體交換方法（圖1），可以有效減小量子點之間的間距，實現(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（圖2），獲得精確的HgSe膠體量子點能帶結(jié)構(gòu)，證明材料中無明顯缺陷態(tài)。
圖3 光導(dǎo)型探測器表征
圖4 氣體檢測
由此制備而成了膠體量子點帶內(nèi)躍遷紅外相機，并成功實現(xiàn)熱成像（圖3）。與低遷移率的帶內(nèi)躍遷膠體量子點探測器相比，該探測器響應(yīng)度提升了55倍，比探測率提升了10倍至1.7×109 Jones。并且可以實現(xiàn)數(shù)微秒的快速響應(yīng)（圖4）。其中波窄帶探測、響應(yīng)速度快的特點，可以實現(xiàn)對溫室氣體的靈敏探測。以CO2為例，結(jié)合邁克爾遜干涉儀， 本文成功結(jié)合實現(xiàn)了探測精度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。該成果利用膠體量子點低成本、液相加工的優(yōu)勢，提出利用帶內(nèi)躍遷進(jìn)行紅外探測器這一新概念，并首次實現(xiàn)了具有實用價值的帶內(nèi)躍遷中波紅外光電探測器，驗證了其紅外相機、高靈敏溫室氣體檢測等功能，對低成本、高性能的紅外探測器發(fā)展起到了重要推進(jìn)作用。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c03631
附作者簡介：
郝群，北京理工大學(xué)特聘教授、光電學(xué)院院長。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，科技部重點領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊負(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。主持過多項國家級項目，包括國家自然科學(xué)基金儀器專項/重點項目、科技部重點研發(fā)計劃、基礎(chǔ)加強計劃項目、GF基礎(chǔ)科研重大/重點項目、國家863項目等。擔(dān)任中國光學(xué)學(xué)會常務(wù)理事、光電專業(yè)委員會主任委員，中國儀器儀表學(xué)會常務(wù)理事、光機電技術(shù)與系統(tǒng)集成分會常務(wù)副理事長，中國計量測試學(xué)會常務(wù)理事，中國兵工理事、光學(xué)專業(yè)委員會主任委員，中國光學(xué)光電子協(xié)會理事、紅外分會副理事長等社會兼職。擔(dān)任《Defense Technology》雜志副主編。
陳夢璐，北京理工大學(xué)光電學(xué)院準(zhǔn)聘教授，博士生導(dǎo)師。中國科協(xié)“青年人才托舉工程”、北京市“科技新星”等支持計劃。2015年畢業(yè)于中國科學(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)于美國芝加哥大學(xué)物理系獲博士學(xué)位。長期從事膠體量子點紅外光電探測與成像研究工作，在紅外量子點輸運物性優(yōu)化、室溫運行高性能中波紅外探測器、帶內(nèi)躍遷窄帶紅外探測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。中國科協(xié)“青年人才托舉工程”等支持計劃。長期從事新型膠體量子點紅外探測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、中波以及長波等多個重要紅外大氣窗口。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。現(xiàn)主持國家自然科學(xué)基金重點項目、科技部重點研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目等項目多項。
分享到：