科学家实现超快短波近红外量子点光电器件，可用于超快成像与激光雷达等领域

与可见光和近红外光相比，短波近红外光具有显著优势。比如，散射比较低，即便在雾、霾、沙尘等复杂天气下，仍然可以进行远距离探测成像。

另外，因为多数分子的指纹信息都在短波近红外波段，所以在进行探测时，还能够得到更多关于物质的指纹信息。

（来源：Advanced Materials）

基于此，短波近红外在超快成像和无人驾驶激光雷达等多个领域，拥有良好的潜在应用前景。然而，如今市场上的那些超快探测器，都是利用如（In，Ga）As 或（Hg，Cd）Te 外延半导体材料制备而成，不但工艺复杂，设备也很昂贵。在这种情况下，胶体量子点因具备传统外延材料所不能实现的优势，而在短波近红外光电探测中脱颖而出。这包括溶液的大批量制备成本极低、器件制备工艺非常简便，以及量子点材料的响应波长，能够在同一种材料中通过调节尺寸而改变等。尽管如此，基于胶体量子点的短波近红外光电器件，依旧不能实现商业化应用。原因在于，它的响应速度只有 10 纳秒左右，但应用的最低门槛却在纳秒量级。当然，如果速度能达到亚纳秒/皮秒、甚至是飞秒量级，对于商业化应用的推进会更加有利。

（来源：Advanced Materials）

为攻克上述难题，近期，来自比利时根特大学的研究团队，通过设计超薄结构降低载流子的输运时间，从而成功地将基于胶体量子点的短波近红外光电器件的响应速度，降低至 4 纳秒。实际上，在制备领域，研究人员通常不会想到去利用超薄结构。这主要是因为，如果量子点层的厚度变薄，对光的吸收就会降低，器件的量子效率也会随之降低。“我们通过利用法布里-珀罗腔结构，把量子点层对光的吸收增加了 2.5 倍，这样就能保证即使在超薄结构下，量子效率依然可以保持较高的水平。”根特大学博士后研究员邓玉豪解释道。

图丨邓玉豪（来源：资料图）

另外，由于该课题组在此基础上也对制备工艺做了进一步优化，克服了采用传统方法制备超薄器件时的一些困难，因此他们在收获超快响应的同时，也实现了高的量子效率、高的整流比，以及低的暗电流。近日，相关论文以《通过超薄吸收层实现纳秒响应时间的短波红外胶体量子点光电探测器》（Short-Wave Infrared Colloidal QDs Photodetector with Nanosecond Response Times Enabled by Ultrathin Absorber Layers）为题在 Advanced Materials 上发表[1]。邓玉豪博士是第一作者兼共同通讯作者，根特大学泽格·亨斯（Zeger Hens）教授担任共同通讯作者。图丨相关论文（来源：Advanced Materials）

如上所说，基于胶体量子点的短波近红外光电探测器的响应时间，只有达到亚纳秒/皮秒量级，才能实现在激光雷达领域成熟的商业化应用。所以，在该研究的基础上，该课题组也计划进一步提高量子点膜的迁移率，以实现皮秒量级的超快探测。“这在理论上是完全可行的，但具体做起来还需要解决很多困难。”邓玉豪博士表示。与此同时，该团队也希望制备不含有毒重金属的超快短波近红外器件，通过使用无毒无害的高性能材料，来更加长远地保护人类的居住环境。光电器件，是邓玉豪一直以来的研究方向。在深耕该领域的过程中，他也获得了诸多体悟。例如，要想制备高性能器件，盲目地做实验并非是一种好的方法，关键是要先把其中的原理理解透彻。“就拿我们这项研究来说，只有理解了探测器的响应时间是由什么因素决定的，才知道该如何对其响应速度进行优化，也才能够得到世界上最快的器件。”邓玉豪说。他认为，只要知道为什么，就已经很接近答案了。所以，要去理解原理，多问为什么，同时不要害怕遇到困难或者遭受失败。“在科学研究的道路上，困难就意味着机会。如果是领域的困难，也就意味着这是领域突破的机会；如果是人类发展上的困难，那就是人类历史上的创新机会。”邓玉豪如是说。

参考资料：

ADVANC~2.PDF

1.Y.,Deng,C.,Pang,E.,Kheradmand. et al. Short-Wave Infrared Colloidal QDs Photodetector with Nanosecond Response Times Enabled by Ultrathin Absorber Layers. Advanced Materials（2024）. https://doi.org/10.1002/adma.202402002

论文附件 ADVANC~2.PDF