北理工團隊在帶內躍遷中波紅外光電探測方面取得突破性進展
發布日期：2022-07-18 供稿：光電學院
編輯：盛筠 審核：董立泉 閱讀次數：
北京理工大學光電學院郝群教授團隊成員陳夢璐準聘教授、唐鑫教授在《ACS NANO》期刊上發表了題為“Mid-Infrared Intraband Photodetector via High Carrier Mobility HgSe Colloidal Quantum Dots”的文章，利用低成本膠體量子點導帶中1Se到1Pe的能級躍遷，實現低成本中波紅外帶內躍遷探測。
紅外材料和器件的研究是紅外技術發展的核心，實現低成本高性能的紅外探測器是該領域的未來發展方向。然而由于光電效應限制，紅外材料受限于窄帶半導體材料。利用材料的帶內躍遷可以突破紅外光電材料對帶隙的限制，極大拓寬紅外材料的選擇范圍、豐富紅外材料的制備方法，是降低紅外材料于器件成本的有效路徑之一。該工作利用膠體量子點液相合成與加工的優勢，開發了室溫混相配體交換的方法，在量子限域效應下實現高載流子遷移率(~1 cm2/Vs)及導帶內摻雜的精確調控，使帶內躍遷中紅外光電探測器在響應速度上提升1000倍（達到數微秒量級），響應度提升55倍.在黑體輻射下，中波5微米比探測率大于1.7×109 Jones，首次獲得了基于帶內躍遷膠體量子點紅外相機的熱成像，并實現了探測精度0.25 ppm至2000 ppm的CO2氣體傳感器。
圖1 帶內躍遷量子點混相配體交換過程及表征
圖2 HgSe膠體量子點光譜精細結構
帶內躍遷紅外材料體系，對摻雜精確調控和載流子輸運控制提出了更高的要求。該工作開發了帶內躍遷膠體量子點混相配體交換方法（圖1），可以有效減小量子點之間的間距，實現表面偶極子摻雜精確調控，并且使得材料在空氣環境下穩定。并且搭建了光譜電化學平臺（圖2），獲得精確的HgSe膠體量子點能帶結構，證明材料中無明顯缺陷態。
圖3 光導型探測器表征
圖4 氣體檢測
由此制備而成了膠體量子點帶內躍遷紅外相機，并成功實現熱成像（圖3）。與低遷移率的帶內躍遷膠體量子點探測器相比，該探測器響應度提升了55倍，比探測率提升了10倍至1.7×109 Jones。并且可以實現數微秒的快速響應（圖4）。其中波窄帶探測、響應速度快的特點，可以實現對溫室氣體的靈敏探測。以CO2為例，結合邁克爾遜干涉儀， 本文成功結合實現了探測精度0.25 ppm至2000 ppm的CO2氣體傳感器。
隨著近年來人工智能、自動駕駛、智慧城市、智慧農業等領域的快速發展，各領域對紅外信息的需求不斷增長。該成果利用膠體量子點低成本、液相加工的優勢，提出利用帶內躍遷進行紅外探測器這一新概念，并首次實現了具有實用價值的帶內躍遷中波紅外光電探測器，驗證了其紅外相機、高靈敏溫室氣體檢測等功能，對低成本、高性能的紅外探測器發展起到了重要推進作用。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c03631
附作者簡介：
郝群，北京理工大學特聘教授、光電學院院長。1998年于清華大學獲工學博士學位，2003年破格提升為教授，2004年聘為博導，1999-2001兼任日本東京大學客座研究員，2011兼任美國Case Western Reserve University講座教授。高校創新引智基地負責人，科技部重點領域創新團隊負責人，教育部跨世紀優秀人才，北京市教學名師，全國“巾幗建功”標兵。長期在新型光電成像傳感技術和光電精密測試技術領域從事教學和科研工作，主要研究方向包括新型光電成像技術、仿生光電感測技術、抗振干涉測量技術及儀器等方面。主持過多項國家級項目，包括國家自然科學基金儀器專項/重點項目、科技部重點研發計劃、基礎加強計劃項目、GF基礎科研重大/重點項目、國家863項目等。擔任中國光學學會常務理事、光電專業委員會主任委員，中國儀器儀表學會常務理事、光機電技術與系統集成分會常務副理事長，中國計量測試學會常務理事，中國兵工理事、光學專業委員會主任委員，中國光學光電子協會理事、紅外分會副理事長等社會兼職。擔任《Defense Technology》雜志副主編。
陳夢璐，北京理工大學光電學院準聘教授，博士生導師。中國科協“青年人才托舉工程”、北京市“科技新星”等支持計劃。2015年畢業于中國科學技術大學少年班學院獲理學學士，2020年畢業于美國芝加哥大學物理系獲博士學位。長期從事膠體量子點紅外光電探測與成像研究工作，在紅外量子點輸運物性優化、室溫運行高性能中波紅外探測器、帶內躍遷窄帶紅外探測等方面獲得突破性成果，在Nature Materials、ACS Nano等SCI雜志上發表學術論文20余篇。
唐鑫，北京理工大學光電學院教授，博士生導師。中國科協“青年人才托舉工程”等支持計劃。長期從事新型膠體量子點紅外探測器及焦平面陣列的研究及系統開發工作，波段涵蓋短波、中波以及長波等多個重要紅外大氣窗口。相關成果以第一作者/通訊作者發表于Nature Photonics、Advanced Materials、ACS Nano等期刊上。現主持國家自然科學基金重點項目、科技部重點研發計劃青年科學家項目等項目多項。
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