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，在醫學檢測、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。

紅外光電探測器運用光電技術，突破人類視覺障礙，以被動的方式探測物體所發出的紅外輻射。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雜，而且必須在低溫下才能實現較高的探測性能，成本很高。

膠體量子點作為新興紅外材料，化學熱注射法大規模合成易，“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”效應在三維尺度限制了熱激發載流子的產生，有望實現非制冷、低成本、高性能的中波紅外探測器。然而，目前膠體量子點并且異質結設計導致的界面傳輸和能帶不匹配，使探測器依然必須在液氮（80 K）溫度下才能達到背景限，理論預測的室溫運行依然遙遠。

北京理工大學光電學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型多種摻雜狀態的量子點墨水，設計并制備了“強P-弱P-本征-弱N-強N”梯度堆疊的同質結器件，大幅優化了內建電場，該成果使量子點中波紅外探測器的“背景限”工作溫度提升了百開爾文，成功實現了室溫運行。該成果以“High-operating-temperature mid-infrared photodetectors via quantum dot gradient homojunction”為題發表在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，縮短量子點間間隙從而實現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現量子點薄膜的摻雜類型與程度精確可控。（如圖1所示）。

圖1. 量子點配體交換過程示意圖

在材料優化的基礎之上，本工作借鑒了傳統材料漸變層設計，利用膠體量子點的“墨水式”加工工藝，通過“強P-弱P-本征-弱N-強N”型量子點薄膜層梯度堆疊的方式，實現了梯度同質結器件。(圖2)

圖2. 量子點梯度同質結器件與能帶示意圖

該結構設計巧妙。一方面，梯度結強化了內建電場，增加了耗盡層厚度，優化了光生載流子的產生與分離過程；另一方面，同質結避免了界面輸運不匹配導致的光生載流子損耗，優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，性能達到背景限制；280 K下，仍能保持101o比探測率。梯度同質結量子點探測器的外量子效率相比常規量子點探測器提升近1個量級，達到77%。本工作同時驗證了探測器的熱成像及氣體檢測等實際應用功能。（圖3）

圖3. 室溫下量子點中波紅外探測器的光譜儀及紅外相機應用驗證

綜上，此次工作開發了混相配體交換方法，實現了中高載流子遷移率、摻雜精確可控的量子點材料制備技術，以此為基礎制備了梯度同質結光電探測器，突破了中紅外探測器的工作溫度限制，極大促進了非制冷、低成本、高性能是新型紅外探測器的發展。

| 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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