中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
紅外光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。然而，其大規(guī)模應(yīng)用卻受限于傳統(tǒng)窄帶半導(dǎo)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(cè)器提供了思路。碲化汞量子點(diǎn)，由于在紅外多波段可調(diào)以及較強(qiáng)的光響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，尤其具有應(yīng)用前景。然而，目前量子點(diǎn)的較弱的熱穩(wěn)定性及其載流子較低的傳輸效率，阻礙了其應(yīng)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(wěn)定性，但其紅外波段幾乎無(wú)光學(xué)響應(yīng)。
北京理工大學(xué)郝群教授團(tuán)隊(duì)的陳夢(mèng)璐準(zhǔn)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(fù)合材料界面連接配體，取兩種材料之長(zhǎng)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(fù)合材料紅外探測(cè)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(qū)光學(xué)期刊APL Photonics上，并且已獲批國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)。
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(fù)合材料的表征
該納米復(fù)合材料紅外探測(cè)材料在電學(xué)性能上，耦合后的納米復(fù)合材料的載流子遷移率可達(dá)到34.6-54.1cm2/Vs，相比于對(duì)照組提高了約1000倍（如圖2）。此外，基于納米復(fù)合材料的紅外探測(cè)器的響應(yīng)度和比探測(cè)率均有顯著提升（如圖3），并有良好的熱穩(wěn)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(fù)合材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳輸特性曲線以及載流子遷移率對(duì)比
圖3 耦合碳納米管前后紅外探測(cè)器的性能對(duì)比
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)溫度梯度場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)驗(yàn)，明確了復(fù)合納米材料中載流子強(qiáng)電學(xué)耦合機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化混相比例調(diào)控了復(fù)合材料的摻雜特性。另外，研究人員基于該納米復(fù)合材料紅外光電探測(cè)器，驗(yàn)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(fù)合納米材料的光導(dǎo)探測(cè)器的紅外成像圖
綜上所述，這項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)了量子點(diǎn)與碳基材料耦合的方法，結(jié)合兩種材料優(yōu)勢(shì)，突破了高光電響應(yīng)特性納米復(fù)合材料光電探測(cè)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(zhǔn)聘教授。
