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Small:集成結構膠體量子點紅外探測器研究進展
發布時間: 2020-11-19 11:16 | 【 【打印】【關閉】

  紅外光無處不在,任何高于絕對零度的物質都可以產生紅外光,因此紅外光是一種重要的信息來源。但是紅外光無法被人們通過肉眼直接感知,而需要借助紅外探測器。根據探測波長的不同,紅外探測器可分為短波紅外、中波紅外與長波紅外探測器。其中短波紅外探測器已被用于醫療、通訊、衛星遙感等領域,在我們生活中具有廣泛的用途,。商用的短波紅外探測器主要基于Ge、InGaAs、PbS、InSb等體材料,然而復雜的制造工藝使其造價高昂,臃腫的低溫裝置使其不便攜帶,同時其探測率和像素規模也有待提高。隨著對紅外線探測需求的增加,降低紅外探測器的成本、提高探測率和成像面積是亟待解決的問題。膠體量子點是一種新型的納米半導體材料,它具有帶隙可調、可溶液制備及加工的特性,在短波紅外區域有很強的吸收,在解決短波紅外探測器的成本與便攜問題方面具有極大潛力。

  上??萍即髮W寧志軍教授課題組從材料復合和器件集成的角度綜述了膠體量子點紅外光電探測器的研究進展。該綜述首先梳理了紅外膠體量子點與其它材料的復合結構。膠體量子點薄膜本身具有缺陷多、載流子遷移率低的缺點。通過與金屬鹵化鈣鈦礦材料、石墨烯、碳納米管等高載流子遷移率材料集成,能夠有效提高膠體量子點薄膜的電荷傳輸性能。將金屬鹵化鈣鈦礦與量子點復合,還能有效鈍化量子點表面缺陷,提高紅外探測器件的內量子效率。 

  其次,作者對膠體量子點紅外探測器的器件結構方面的研究進展進行了梳理。近年來,研究者們在傳統的光電二極管型、光電導型及場效應管型光電探測器結構基礎上進行創新,提高了膠體量子點紅外探測器的探測率與響應速度。例如,在光電導型及場效應管型器件中,研究人員在量子點薄膜之下增加石墨烯層、二維硫族化合物、鹵化鈣鈦礦等高遷移率材料,提高光生載流子的分離與輸運;在光電二極管型器件的傳輸層摻入電荷俘獲材料,提高器件的增益。

  最后,作者對膠體量子點紅外探測器的規?;苽浼俺上竦难芯窟M展進行了梳理。當前單像素膠體量子點紅外探測器對紅外線的探測性能足以媲美商用的紅外探測器,然而要實現紅外成像,需要將紅外探測器陣列集成起來,并且配備響應的讀出電路(ROICs)。將膠體量子點紅外探測器陣列與商用的CMOS、TFT讀出電路集成,獲得了較好的成像質量。于此同時,作為紅外成像的另一途徑,近年來,膠體量子點紅外探測器與可見光LED集成的上轉換器件得到研究者關注。這一新型器件能夠直接將紅外光轉換成可見光,不需復雜的讀出電路就可以實現紅外成像。

  膠體量子點紅外探測器距離實際商用已經非常接近,然而這一領域仍然有許多問題需要繼續研究。對于未來膠體量子點紅外探測器的研究,作者認為有如下三個方向:1)當前大部分膠體量子點探測器探測波長限于短波紅外區域,將探測波長拓展至中波紅外與長波紅外并提升探測率是未來的重要課題;2)當前膠體量子點紅外探測器量子點薄膜的制備普遍采用的是繁瑣的固態交換方法,難以工業化推廣,將液相交換制備薄膜的已被用于量子點太陽能電池,將這一方法引入探測器領域值得研究;3)膠體量子點紅外探測器性能的提升需要進一步降低缺陷密度和提高探測率,量子點的高度有序組裝是可能的解決方案,尤其是對大面積器件的制備。

  綜述“Integrated Structure and Device Engineering for High Performance and Scalable Quantum Dot Infrared Photodetectors”發表在Small上(DOI:10.1002/smll.202003397)。上??萍即髮W博士生徐凱敏為本文第一作者,寧志軍、周文佳為本文的通訊作者。論文得到了上海市自然科學基金與國家自然科學基金的資助。

  文章來源:materialsviewschina

  文章鏈接:https://www.materialsviewschina.com/2020/11/50461/

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