中紅外波段是重要的大氣窗口，相比可見光波段提供額外的熱信息，在醫(yī)學(xué)檢測、氣象遙感、軍事偵查、航天探測等方面均擁有重要價值。然而，該波段卻不能被人眼直接感知。

紅外光電探測器運(yùn)用光電技術(shù)，突破人類視覺障礙，以被動的方式探測物體所發(fā)出的紅外輻射。目前，中紅外探測器主要基于碲鎘汞、量子阱和II型超晶格，這些材料不僅外延生長方法困難，與讀出電路耦合的倒裝鍵合工藝復(fù)雜，而且必須在低溫下才能實(shí)現(xiàn)較高的探測性能，成本很高。

膠體量子點(diǎn)作為新興紅外材料，化學(xué)熱注射法大規(guī)模合成易，“墨水式”液相加工可以與讀出電路直接耦合，并且其“量子限域”效應(yīng)在三維尺度限制了熱激發(fā)載流子的產(chǎn)生，有望實(shí)現(xiàn)非制冷、低成本、高性能的中波紅外探測器。然而，目前膠體量子點(diǎn)并且異質(zhì)結(jié)設(shè)計導(dǎo)致的界面?zhèn)鬏敽湍軒Р黄ヅ洌固綔y器依然必須在液氮（80 K）溫度下才能達(dá)到背景限，理論預(yù)測的室溫運(yùn)行依然遙遠(yuǎn)。

北京理工大學(xué)光電學(xué)院陳夢璐教授研究小組，提出混相配體交換的方法，成功制備N型到P型多種摻雜狀態(tài)的量子點(diǎn)墨水，設(shè)計并制備了“強(qiáng)P-弱P-本征-弱N-強(qiáng)N”梯度堆疊的同質(zhì)結(jié)器件，大幅優(yōu)化了內(nèi)建電場，該成果使量子點(diǎn)中波紅外探測器的“背景限”工作溫度提升了百開爾文，成功實(shí)現(xiàn)了室溫運(yùn)行。該成果以“High-operating-temperature mid-infrared photodetectors via quantum dot gradient homojunction”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

混相配體交換包括液相配體交換、表面偶極子摻雜調(diào)控和固相配體交換三個步驟。

其核心是通過短鏈配體替換長鏈配體，縮短量子點(diǎn)間間隙從而實(shí)現(xiàn)密堆積并獲得薄膜的高載流子遷移率，同時通過極性配體替換非極性配體實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)薄膜的摻雜類型與程度精確可控。（如圖1所示）。

圖1. 量子點(diǎn)配體交換過程示意圖

在材料優(yōu)化的基礎(chǔ)之上，本工作借鑒了傳統(tǒng)材料漸變層設(shè)計，利用膠體量子點(diǎn)的“墨水式”加工工藝，通過“強(qiáng)P-弱P-本征-弱N-強(qiáng)N”型量子點(diǎn)薄膜層梯度堆疊的方式，實(shí)現(xiàn)了梯度同質(zhì)結(jié)器件。(圖2)

圖2. 量子點(diǎn)梯度同質(zhì)結(jié)器件與能帶示意圖

該結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙。一方面，梯度結(jié)強(qiáng)化了內(nèi)建電場，增加了耗盡層厚度，優(yōu)化了光生載流子的產(chǎn)生與分離過程；另一方面，同質(zhì)結(jié)避免了界面輸運(yùn)不匹配導(dǎo)致的光生載流子損耗，優(yōu)化了光生載流子的傳輸與收集過程。

該工作極大提升了探測器的工作溫度，中波4-5微米探測器在200 K下，比探測高于1011Jones，性能達(dá)到背景限制；280 K下，仍能保持101o比探測率。梯度同質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)探測器的外量子效率相比常規(guī)量子點(diǎn)探測器提升近1個量級，達(dá)到77%。本工作同時驗(yàn)證了探測器的熱成像及氣體檢測等實(shí)際應(yīng)用功能。（圖3）

圖3. 室溫下量子點(diǎn)中波紅外探測器的光譜儀及紅外相機(jī)應(yīng)用驗(yàn)證

綜上，此次工作開發(fā)了混相配體交換方法，實(shí)現(xiàn)了中高載流子遷移率、摻雜精確可控的量子點(diǎn)材料制備技術(shù)，以此為基礎(chǔ)制備了梯度同質(zhì)結(jié)光電探測器，突破了中紅外探測器的工作溫度限制，極大促進(jìn)了非制冷、低成本、高性能是新型紅外探測器的發(fā)展。

| 論文信息 |

Xue, X., Chen, M., Luo, Y. et al. High-operating-temperature mid-infrared photodetectors via quantum dot gradient homojunction. Light Sci Appl 12, 2 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-01014-0

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