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Small:集成结构胶体量子点红外探测器研究进展

发布:RuiChaoDong    |    2020-11-17 23:16    阅读:460
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红外光无处不在,任何高于绝对零度的物质都可以产生红外光,因此红外光是一种重要的信息来源。但是红外光无法被人们通过肉眼直接感知,而需要借助红外探测器。根据探测波长的不同,红外探测器可分为短波红外、中波红外与长波红外探测器。其中短波红外探测器已被用于医疗、通讯、卫星遥感等领域,在我们生活中具有广泛的用途,。商用的短波红外探测器主要基于Ge、InGaAs、PbS、InSb等体材料,然而复杂的制造工艺使其造价高昂,臃肿的低温装置使其不便携带,同时其探测率和像素规模也有待提高。随着对红外线探测需求的增加,降低红外探测器的成本、提高探测率和成像面积是亟待解决的问题。胶体量子点是一种新型的纳米半导体材料,它具有带隙可调、可溶液制备及加工的特性,在短波红外区域有很强的吸收,在解决短波红外探测器的成本与便携问题方面具有极大潜力。

       上海科技大学宁志军教授课题组从材料复合和器件集成的角度综述了胶体量子点红外光电探测器的研究进展。该综述首先梳理了红外胶体量子点与其它材料的复合结构。胶体量子点薄膜本身具有缺陷多、载流子迁移率低的缺点。通过与金属卤化钙钛矿材料、石墨烯、碳纳米管等高载流子迁移率材料集成,能够有效提高胶体量子点薄膜的电荷传输性能。将金属卤化钙钛矿与量子点复合,还能有效钝化量子点表面缺陷,提高红外探测器件的内量子效率。

       其次,作者对胶体量子点红外探测器的器件结构方面的研究进展进行了梳理。近年来,研究者们在传统的光电二极管型、光电导型及场效应管型光电探测器结构基础上进行创新,提高了胶体量子点红外探测器的探测率与响应速度。例如,在光电导型及场效应管型器件中,研究人员在量子点薄膜之下增加石墨烯层、二维硫族化合物、卤化钙钛矿等高迁移率材料,提高光生载流子的分离与输运;在光电二极管型器件的传输层掺入电荷俘获材料,提高器件的增益。

最后,作者对胶体量子点红外探测器的规模化制备及成像的研究进展进行了梳理。当前单像素胶体量子点红外探测器对红外线的探测性能足以媲美商用的红外探测器,然而要实现红外成像,需要将红外探测器阵列集成起来,并且配备响应的读出电路(ROICs)。将胶体量子点红外探测器阵列与商用的CMOS、TFT读出电路集成,获得了较好的成像质量。于此同时,作为红外成像的另一途径,近年来,胶体量子点红外探测器与可见光LED集成的上转换器件得到研究者关注。这一新型器件能够直接将红外光转换成可见光,不需复杂的读出电路就可以实现红外成像。

        胶体量子点红外探测器距离实际商用已经非常接近,然而这一领域仍然有许多问题需要继续研究。对于未来胶体量子点红外探测器的研究,作者认为有如下三个方向:1)当前大部分胶体量子点探测器探测波长限于短波红外区域,将探测波长拓展至中波红外与长波红外并提升探测率是未来的重要课题;2)当前胶体量子点红外探测器量子点薄膜的制备普遍采用的是繁琐的固态交换方法,难以工业化推广,将液相交换制备薄膜的已被用于量子点太阳能电池,将这一方法引入探测器领域值得研究;3)胶体量子点红外探测器性能的提升需要进一步降低缺陷密度和提高探测率,量子点的高度有序组装是可能的解决方案,尤其是对大面积器件的制备。  

       综述“Integrated Structure and Device Engineering for High Performance and Scalable Quantum Dot Infrared Photodetectors”发表在Small上(DOI:10.1002/smll.202003397)。上海科技大学博士生徐凯敏为本文第一作者,宁志军、周文佳为本文的通讯作者。论文得到了上海市自然科学基金与国家自然科学基金的资助。

消息来源:MaterialsViews

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