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北理工团队实现甚长波红外波段的探测及成像应用


图1. 长波及甚长波红外量子点探测器

近日,欧洲杯在线平台买球光电学院郝群教授团队陈梦璐准聘教授突破现有量子点探测波长极限,首次实现甚长波红外波段的探测及成像应用(如图1所示),研究成果以“Very Long Wave Infrared Quantum Dot Photodetector up to 18 μm”为题发表于光学顶刊Light:Science & Applications。

红外波段与大气窗口相匹配,广泛应用于环境监测、气体传感和危害探测。根据瑞利散射定律,散射与波长的四次方成反比,所以长波红外(LWIR, 6-15 μm)和甚长波红外(VLWIR,15-30 μm)在传播距离上更具有优势。然而该波段不能被人眼直接感知,需要借助于光电探测器。红外光电探测器能把所接受的红外辐射转换为电信号,是红外探测和成像系统的核心部件,也是红外技术发展的关键。

目前,光子型红外探测器是依靠碲镉汞和II型超晶格等昂贵外延材料,其信号导出需要与读出电路倒装键合,工艺复杂。相比之下,胶体量子点作为新型半导体材料,具有红外波段可调控、化学法制备成本低、与硅基电路直接耦合的优势,为红外探测器件提供了新思路。2023年,量子点及光电应用相关成果获得诺贝尔奖,然而其光电应用主要波段仍局限于可将光等较短波段。这是由于量子限域效应打开块体半导体带隙,即相应块体半导体带隙决定了量子点能级下限和探测波长极限。

为超越现有量子点红外探测波长极限,本项工作突破了极限尺寸半金属量子点合成及光电器件制备技术,首次实现甚长波红外18微米量子点光电探测器。本项工作基于零带隙半金属材料,设计了高活性、离去性前驱体,开发了成核-生长分离的滴定生长技术,获得高稳定性的近玻尔半径尺寸量子点胶体且其吸收谱覆盖长波红外及甚长波红外(如图2所示)。

图2. 极限尺寸半金属量子点红外吸收光谱及形貌图

本工作通过薄膜场效应管及双电位电化学实验探明了极限尺寸红外量子点光电探测性能的主要限制是光生载流子漂移长度与传输通道长度相比较短。针对该难点,研究组在前期配体交换(Nature Materials 2020, 19, 323–329. https://doi.org/10.1038/s41563-019-0582-2)及表面偶极子掺杂调控(Light: Science & Applications 2023, 12 , 2,https://doi.org/10.1038/s41377-022-01014-0)工作的基础之上,提出了碘离子配体修饰方法(如图3所示),钝化量子点的富金属表面,实现掺杂精准调控。

图3. 碘溶液处理过程示意图

一方面,碘离子钝化降低了N型掺杂载导致的带内跃迁竞争,抑制了载流子背散射,降低了器件的暗电流及暗噪声。另一方面,短链配体交换技术,提高了量子点中载流子电学耦合强度,大幅度提升量子点载流子迁移率100倍,提高了光生载流子收集效率。该方法极大的提升了器件的性能,例如,在80K下的10微米长波红外探测器比探测率超过109Jones,响应度0.13A/W, 比现有报道提升了100倍。同时,本工作首次突破现有量子点波长探测极限至18微米甚长波红外(如图4所示),该波段独特亚稳态物性为临界量子态研究依据。

图4. 光电探测器的响应光谱及单点扫描成像应用

综上,此次工作突破极限尺寸量子点合成技术,提出碘离子量子点表面钝化从而实现掺杂精确调控及输运性质优化,并以此为基础制备光电探测器,突破现有量子点光探测波长极限至甚长波红外。

在科学意义上,红外量子点是量子力学与纳米技术的结合,其物理性质临界于块体及纳米材料、金属及半导体之间。本工作极大促进了量子点表面态及光电极限特性研究。

在技术意义上,极限尺寸半金属量子点合成技术拓宽了红外材料选择范围、丰富了红外材料制备方法。本工作成功验证了探测器的实际应用功能。

该研究成果第一作者薛晓梦博士研究生、郝群教授、陈梦璐准聘教授,通讯作者陈梦璐准聘教授。

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41377-024-01436-y


附作者介绍:

陈梦璐,欧洲杯在线平台买球准聘教授。国家级青年人才,北京市科技新星,中国科协青年托举人才。长期从事红外量子点材料及探测成像相关工作,以第一或通讯作者发表包括Nature Materials,Light: Science & Applications, ACS Nano在内的SCI论文30余篇。在室温运行红外量子点光电探测器、带内跃迁窄带红外量子点探测器、长波及甚长波量子点红外探测器等方面均实现国际首创性突破。

郝群,欧洲杯在线平台买球兼职教授。国家级高层次人才,科技部重点领域创新团队负责人,教育部跨世纪优秀人才,北京市教学名师,全国“巾帼建功”标兵。长期在新型光电成像传感技术和光电精密测试技术领域从事教学和科研工作,主要研究方向包括新型光电成像技术、仿生光电感测技术、抗振干涉测量技术及仪器等方面。主持国家自然科学基金仪器专项/重点项目、科技部重点研发计划、国家863项目等。


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