紅外光電探測器廣泛應用于工業(yè)檢測、環(huán)境監測、生物醫學(xué)成像等領(lǐng)域。然而,其大規模應用卻受限于傳統窄帶半導體較高的成本。膠體量子點(diǎn)化學(xué)合成低成本且涂敷工藝高產(chǎn)能的特性為新型紅外探測器提供了思路。碲化汞量子點(diǎn),由于在紅外多波段可調以及較強的光響應的優(yōu)勢,尤其具有應用前景。然而,目前量子點(diǎn)的較弱的熱穩定性及其載流子較低的傳輸效率,阻礙了其應用推廣。相比之下,碳納米管具有較高的載流子遷移率和熱穩定性,但其紅外波段幾乎無(wú)光學(xué)響應。
北京理工大學(xué)郝群教授團隊的陳夢(mèng)璐準聘教授提出了碲化汞膠體量子點(diǎn)與多壁碳納米管耦合的方法,優(yōu)化納米復合材料界面連接配體,取兩種材料之長(cháng)開(kāi)發(fā)出了兼具優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能的納米復合材料紅外探測材料(如圖1)。相關(guān)研究成果于2024年4月發(fā)表于中科院1區光學(xué)期刊APL Photonics上,并且已獲批國家發(fā)明專(zhuān)利1項。
圖1 碲化汞膠體量子點(diǎn),碳納米管以及二者耦合后的納米復合材料的表征
該納米復合材料紅外探測材料在電學(xué)性能上,耦合后的納米復合材料的載流子遷移率可達到34.6-54.1cm2/Vs,相比于對照組提高了約1000倍(如圖2)。此外,基于納米復合材料的紅外探測器的響應度和比探測率均有顯著(zhù)提升(如圖3),并有良好的熱穩定性。
圖2 不同比例碲化汞膠體量子點(diǎn)和碳納米管耦合后的納米復合材料的場(chǎng)效應晶體管傳輸特性曲線(xiàn)以及載流子遷移率對比
圖3 耦合碳納米管前后紅外探測器的性能對比
研究團隊通過(guò)溫度梯度場(chǎng)效應管實(shí)驗,明確了復合納米材料中載流子強電學(xué)耦合機制。在此基礎上,通過(guò)優(yōu)化混相比例調控了復合材料的摻雜特性。另外,研究人員基于該納米復合材料紅外光電探測器,驗證了單像素紅外成像功能(如圖4)。
圖4 基于碲化汞膠體量子點(diǎn)/碳納米管復合納米材料的光導探測器的紅外成像圖
綜上所述,這項研究開(kāi)發(fā)了量子點(diǎn)與碳基材料耦合的方法,結合兩種材料優(yōu)勢,突破了高光電響應特性納米復合材料光電探測技術(shù)。該論文的第一作者為北京理工大學(xué)光電學(xué)院博士生薛曉夢(mèng)、呂鴻宇,通訊作者為北京理工大學(xué)陳夢(mèng)璐準聘教授。