中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
北京理工大學(xué)郝群教授團隊在室溫運行中波紅外探測器研究方面取得突破性的進(jìn)展，相關(guān)論文于2023年1月發(fā)表于光學(xué)頂刊Light：Science & Applications，獲得封面論文。近日該論文入選ESI高被引。
中紅外波段是重要的大氣窗口，相比可見(jiàn)光波段提供額外的熱信息，在醫學(xué)檢測、氣象遙感、航天探測等方面均具有重要價(jià)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(shù)，突破人類(lèi)視覺(jué)障礙，以被動(dòng)的方式探測物體所發(fā)出的紅外輻射。目前，中紅外光電探測器主要基于外延生長(cháng)材料，與讀出電路耦合的倒裝鍵合工藝復雜，并且其高性能需要斯特拉制冷機等設備制冷，無(wú)法滿(mǎn)足輕量化、低成本需求。膠體量子點(diǎn)作為新興紅外材料，化學(xué)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(fā)載流子的產(chǎn)生，有望實(shí)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(diǎn)并且異質(zhì)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（80K）溫度下才能達到背景限，理論預測的室溫運行依然遙遠。
量子點(diǎn)表面偶極子調控過(guò)程
郝群教授團隊創(chuàng )新性的提出量子點(diǎn)表面偶極子摻雜方法，開(kāi)發(fā)混相配體交換技術(shù)，首次在紅外量子點(diǎn)領(lǐng)域提出并制備了“強P-弱P-本征-弱N-強N”梯度堆疊同質(zhì)結器件。該新型器件：
1. 工作溫度優(yōu)。通過(guò)大幅優(yōu)化內建電場(chǎng)，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(kāi)爾文，成功實(shí)現了室溫運行。
2. 制備成本低。該紅外材料化學(xué)合成、液相涂敷硅基耦合、無(wú)需斯特林制冷，從材料、工藝、工作機理等各個(gè)層面降低成本至傳統紅外探測器的十分之一。
3. 探測性能高。梯度同質(zhì)結器件結構，避免了界面輸運不匹配導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(guò)程。
量子點(diǎn)梯度同質(zhì)結器件與能帶示意圖
該工作極大提升了中波紅外探測器的工作溫度，中波4-5微米探測器在200K下，比探測高于1011Jones，性能達到背景限制；280K下，仍能保持101?比探測率。梯度同質(zhì)結量子點(diǎn)探測器的外量子效率相比常規量子點(diǎn)探測器提升近1個(gè)量級，達到77%。本工作同時(shí)驗證了探測器的熱成像及氣體檢測等實(shí)際應用功能。
該論文的第一作者為北京理工大學(xué)博士生薛曉夢(mèng)、陳夢(mèng)璐準聘教授，通訊作者為北京理工大學(xué)陳夢(mèng)璐準聘教授、唐鑫教授及郝群教授。
