胶体量子点光电二极管（QDPDs）在红外传感与成像领域展现出巨大应用潜力，可提供高探测率、快速响应及微米级像素化能力。然而，该体系长期受限于有限的线性动态范围（LDR），在中等光强下即发生光电流饱和，制约了其在机器视觉、化学传感等场景中的实际应用。传统观点认为，孤立量子点中的光电流饱和源于双激子的形成，但器件中观察到的饱和激发速率比单激子复合速率低约4个数量级，表明该经典认知无法直接移植至QDPD体系。因此，揭示器件运行状态下真实的光生载流子损耗通道，成为提升器件性能的关键科学问题。

创新点

比利时根特大学Korneel Molkens、Yu-Hao Deng（邓玉豪）博士, Zeger Hens与Pieter Geiregat团队在最新研究中，首次通过运行态飞秒瞬态吸收光谱（operando femtosecond transient absorption spectroscopy）直接追踪了PbS QDPD器件在实际工作条件下的光生载流子动力学。研究颠覆了“饱和源于单量子点内双激子形成”的传统认知，揭示出器件薄膜中即使平均激子数⟨N⟩远低于1（约0.1），仍存在显著的载流子加速损耗。对比体系显示，孤立量子点中漂白恢复呈激发密度无关的一阶动力学，而器件用QD薄膜（TBAI配体交换）却表现出强烈的激发密度依赖性——归一化漂白的四分之一衰减时间*t*₃/₄与泵浦能量近似成反比，证实存在高阶复合过程。通过动力学蒙特卡洛模拟，研究者将这一反常损耗归因于三子（trion）Auger复合：短配体诱导的快速电荷跃迁与薄膜中约0.07 QD⁻¹的背景掺杂电子协同，使得光生空穴与背景电子动态形成负三子，其Auger复合速率（~80 ps）远快于单激子辐射复合，从而在极低占位下即可触发高效的非辐射损耗通道。该工作首次明确了器件构型中“跃迁辅助三子复合”主导光电流饱和的物理图像。

创新成果

该研究进一步量化了饱和发生的临界条件。在完整QDPD叠层中（ITO/ZnO/PbS-1300 TBAI/PbS-950 EDT/Au），瞬态吸收测量表明，光生载流子的损耗速率随激发密度单调加速，且*t*₃/₄与电荷提取时间（~0.9 ns，由偏压依赖的漂移实验测定）的交点恰好落在实验测得的饱和通量区间（25–45 μJ/cm²），对应⟨N⟩≈0.11–0.20。这一精确匹配证实：饱和即发生在三子复合速率与载流子提取速率相等之时。基于此定量关系，研究者推导出连续光下的饱和功率密度Φ_sat ≈ (*n*_sat/τ_d)·(2*e*_ph/σ)，揭示Φ_sat与载流子驻留时间τ_d成反比。对文献中PbS、HgTe、Ag₂Te等多种QDPD体系的系统比对显示，所有已报道的饱和功率密度均与载流子提取时间呈普适的反比关系，横跨5–5000 mW/cm²的广泛数据完全落于此框架内。

图1 | 基于PbS胶体量子点的光电探测器（QDPD）的静态表征。（a）本工作中使用的QDPD器件结构，由ITO底电极、ZnO量子点电子传输（及空穴阻挡）层、小带隙*n*型PbS量子点薄膜（*d* = 4.6 nm，λ_g = 1300 nm）作为吸收层、较大带隙PbS量子点薄膜（*d* = 3.1 nm，λ_g = 950 nm）作为*p*型空穴传输及电子阻挡层，以及金顶电极组成。（b）有无1200 nm、190 fs脉冲激光照明下的器件电流-电压（I–V）曲线，显示QDPD的低暗电流及对脉冲照明的响应。（c）脉冲光激发下电流密度随泵浦通量的变化。顶部横轴表示将通量换算为每个量子点的平均占据数⟨N⟩。灰色线表示固定外量子效率下的预期响应，偏离此线即表明光电流发生饱和，标志着线性动态范围（LDR）受限。反向偏压增加了提取的电荷数，因此略微扩展了LDR。

图2 | 配体交换对PbS量子点薄膜中电荷载流子复合动力学的影响。（a）溶液中具有原始配体的PbS-1300量子点在泵浦通量对应⟨N⟩≈0.08时的瞬态吸收（TA）波长-延迟时间二维图谱。（b）不同泵浦通量下归一化带边漂白平均衰减曲线（1230–1350 nm），显示衰减曲线重叠，表明复合为与激发密度无关的一阶过程。（c）经TBAI配体交换后的PbS-1300薄膜在不同激发密度下的归一化带边漂白衰减曲线，显示出强烈的激发密度依赖性加速衰减。（d）四分之一衰减时间*t*₃/₄随激发密度的变化关系（双对数坐标），斜率为-1，表明该损耗过程为二阶或高阶复合主导。

图3 | 动力学蒙特卡洛模拟结果。（a）不同光激发密度（⟨N⟩ = 0.005至0.2）下空穴密度随时间演化的模拟曲线，背景掺杂密度设为0.07电荷/量子点。插图为各多载流子复合通道的相对贡献比例（*n*电子，*p*空穴），以柱高表示特定(*n*,*p*)组合对应的复合事件相对数量（如负三子对应(2,1)组合）。（b-e）不同模拟参数对四分之一衰减时间的影响，每次仅改变一个参数，其余参数迭代固定于三子复合时间t_trion = 80 ps、掺杂密度n_dop = 0.07、能量无序度σ_E = 18 meV、跃迁时间t_hop = 44 ps。虚线标示各参数的缺省值。

图4 | 完整QDPD器件中的瞬态吸收分析与文献对比。（a）开路条件下完整器件叠层中小带隙量子点（PbS-1300）的漂白衰减曲线。（b）四分之一衰减时间随激发密度的变化，表明器件中加速衰减行为依然存在。水平阴影区标示实验估算的漂移时间范围，垂直阴影区为不同器件测得的饱和通量最低值与最高值区间。（c）同一器件中大带隙量子点（PbS-950，空穴传输层）的漂白衰减曲线，显示其极快的衰减动力学。（d）固定激发通量6.8 μJ/cm²（低于器件饱和阈值）下，反向偏压对漂白衰减的影响，弱电压依赖性表明电荷分离已在无提取条件下发生。（e）+0.2 V与-1 V偏压下漂白衰减的差值曲线，呈现表征电荷输运的瞬态特征，单指数拟合得到输运时间为0.9 ± 0.2 ns。（f）文献中已报道的QDPD在连续光照明下线性动态范围（LDR）内最高光功率与电荷提取速率的关系汇总（文献引用标注于括号中），显示两者呈普适的反比关系。

成果影响力

该工作不仅从物理机制上统一了文献中关于QDPD线性动态范围差异极大的表象（实为提取速率不同所致），更明确了缩短载流子提取时间是拓展线性动态范围的核心路径——通过提高QD薄膜迁移率、减薄吸收层厚度或优化器件结构以加速提取，均可有效推迟饱和 onset。所建立的“提取速率—饱和功率”定量标度关系为不同材料体系（PbS、HgTe、InAs等）提供了统一的设计准则。该成果兼具基础研究价值（刷新了对QD薄膜中低占位下Auger复合路径的认知）与工程指导意义（为高动态范围QDPD的器件工程提供了明确、可量化的优化方向），有望推动胶体量子点红外探测器在动态范围敏感型应用（如高动态范围成像、激光雷达）中的进一步发展。

支持单位：