中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
紅外光電探測器廣泛應用于工業(yè)檢測、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學成像等領(lǐng)域。然而，其大規(guī)模應用卻受限于傳統(tǒng)窄帶半導體較高的成本。膠體量子點化學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，由于在紅外多波段可調(diào)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光學響應。
北京理工大學郝群教授團隊的陳夢璐準聘教授提出了碲化汞膠體量子點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，取兩種材料之長開發(fā)出了兼具優(yōu)異的光學和電學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(qū)光學期刊APL Photonics上，并且已獲批國家發(fā)明專利1項。
圖1 碲化汞膠體量子點，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和碳納米管耦合后的納米復合材料的場效應晶體管傳輸特性曲線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
研究團隊通過溫度梯度場效應管實驗，明確了復合納米材料中載流子強電學耦合機制。在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化混相比例調(diào)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/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，這項研究開發(fā)了量子點與碳基材料耦合的方法，結(jié)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光電學院博士生薛曉夢、呂鴻宇，通訊作者為北京理工大學陳夢璐準聘教授。
