膠體量子點（CQD）憑借其具有高通量溶液加工能力以及紫外（UV）到紅外（IR）波段的寬帶隙可調(diào)諧性，因而在光電子器件中備受關(guān)注。有些研究者可能會質(zhì)疑膠體量子點波長范圍的上限。迄今為止，雖然膠體量子點的吸收波長已擴展至太赫茲（THz）波段，但實際的光探測波長僅限于中波紅外（MWIR）。研究膠體量子點在更長波長的光響應(yīng)挑戰(zhàn)，將有助于揭示這些納米材料的最終特性。更重要的是，這也激發(fā)了研究者對自下而上的紅外光探測的興趣，與外延生長的半導(dǎo)體塊體材料相比，這種技術(shù)的成本才不到10%。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院郝群教授和陳夢璐準(zhǔn)聘教授的科研團(tuán)隊開發(fā)了一種再生長方法并進(jìn)行了離子摻雜修飾，利用碲化汞（HgTe）膠體量子點實現(xiàn)了波長達(dá)18 μm的光探測。在液氮溫度下，18 μm和10 μm膠體量子點光電導(dǎo)體的響應(yīng)度（R）分別達(dá)到0.3 A/W和0.13 A/W，比探測率（D*）分別達(dá)到6.6 × 10? Jones和2.3 × 10? Jones。這項研究是朝著探索“膠體量子點光探測波長限制”這一普遍問題所邁出的一步。相關(guān)研究成果以“Very long wave infrared quantum dot photodetector up to 18 μm”為主題發(fā)表在Light: Science & Applications期刊上。

為了合成大尺寸的HgTe膠體量子點，需使用過量的汞前驅(qū)體，其中汞離子（Hg2?）作為表面配體以獲得良好的穩(wěn)定性。在本研究中，汞與碲的比例為4:1。此外，研究人員開發(fā)了再生長方法，利用高活性的雙三甲基硅基碲（TMSTe）快速成核，并逐滴添加低活性的三辛基碲化膦（TOPTe）來實現(xiàn)納米晶體的再生長。

這項研究制備的長波紅外（LWIR）和甚長波紅外（VLWIR）HgTe膠體量子點的吸收光譜如圖1a和圖1b所示。圖1c和圖1d展示了透射電子顯微鏡（TEM）測定的長波紅外和甚長波紅外膠體量子點的形狀和尺寸。量子點間距大大減小提高了膠體量子點的電子耦合和載流子傳輸效率。摻雜控制對高性能紅外光探測來說至關(guān)重要。此外，圖1e展示了本征長波紅外和甚長波紅外膠體量子點的光致發(fā)光，峰值分別為1025 cm?1和1320 cm?1。

圖1 長波紅外和甚長波紅外HgTe膠體量子點的表征

隨后，研究人員通過電化學(xué)和場效應(yīng)晶體管（FET）測量進(jìn)一步確定了膠體量子點的能量帶隙圖和傳輸特性。圖2為碘（I?）處理前后長波紅外膠體量子點的典型傳輸特性表征。其中圖2a至圖2c展示了HgTe膠體量子點的能量帶隙圖、電化學(xué)示意圖以及FET實驗示意圖。

圖2 長波紅外HgTe膠體量子點的傳輸特性表征

圖3展示了長波紅外和甚長波紅外膠體量子點光電導(dǎo)體。其中，圖3a至圖3c分別為光電探測器實物圖、電極以及掃描電鏡（SEM）截面圖。圖3d顯示了通過步進(jìn)器測量的光電探測器厚度，以及利用原子力顯微鏡（AFM）繪制的表面粗糙度圖。圖3e和圖3f分別顯示了長波紅外和甚長波紅外膠體量子點光電探測器上的光電流和暗電流曲線。

圖3 HgTe膠體量子點光電探測器的表征

最后，研究人員進(jìn)一步探索了載流子遷移率對響應(yīng)度和EQE的影響。圖4a展示了暗電流與溫度的函數(shù)關(guān)系，以提取熱載流子上的活化能。圖4b展示了VLWIR和LWIR膠體量子點光電探測器上的響應(yīng)度（紅色）以及純光電流與暗電流比（藍(lán)色）隨溫度的變化趨勢。

圖4 HgTe膠體量子點光電探測器的光電探測特性

綜上所述，這項研究探索了大尺寸HgTe膠體量子點及其在長波紅外和甚長波紅外波段的光探測性能。研究人員采用再生長法合成了直徑達(dá)15.6 nm的大尺寸HgTe膠體量子點。對膠體量子點固體進(jìn)行I?處理可精確地將摻雜從強n型調(diào)節(jié)到近本征型，同時進(jìn)行表面鈍化以減少在環(huán)境中進(jìn)一步氧化。此外，混合相配體交換處理可以將載流子遷移率提高100倍，達(dá)到10 cm2/Vs，從而提高了載流子的傳輸效率。這些處理使得18 μm甚長波紅外膠體量子點光電探測器在80 K時的響應(yīng)度達(dá)到0.3 A/W，比探測率達(dá)到6.6 × 10? Jones；10 μm長波紅外膠體量子點光電探測器在80 K時的響應(yīng)度達(dá)到0.13 A/W，比探測率達(dá)到2.3 × 10? Jones。高遷移率甚長波紅外膠體量子點光電導(dǎo)體的響應(yīng)度比低遷移率參考樣品高了670倍。同時，研究人員發(fā)現(xiàn)響應(yīng)度受到載流子漂移長度與電極間隙的比值以及吸收系數(shù)的限制。這些研究結(jié)果還表明，適當(dāng)?shù)呐潴w修飾以獲得高遷移率和良好的載流子壽命，對于長波長光探測來說至關(guān)重要。

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