紅外光電探測器廣泛應(yīng)用于氣體傳感、氣象遙感以及航天探測等領(lǐng)域。然而目前，傳統(tǒng)的紅外探測材料主要基于碲化銦、銦鎵砷、碲鎘汞等，需要分子束外延方法生長，以及倒裝鍵和等復(fù)雜工藝與讀出電路耦合。雖然探測性能高，但是卻受限于成本與產(chǎn)量。
膠體量子點作為一種新興的紅外探測材料，可以由化學(xué)熱注射法大規(guī)模合成，“墨水式”液相加工可以與硅讀出電路直接耦合，大大加快紅外焦平面陣列(FPA)的研發(fā)進度。目前北京理工大學(xué)郝群教授團隊已實現(xiàn)320×256、1K×1K百萬像素量子點紅外焦平面。然而，目前紅外膠體量子點暗電流噪聲較大的問題限制了成像儀的分辨率和靈敏度。
郝群教授團隊陳夢璐準聘教授等人，提出了量子點帶尾調(diào)控方法，通過量子點成核生長分離的再生長技術(shù)，成功得到了形貌可控(圖1)，分散性好，半峰寬窄，帶尾態(tài)優(yōu)的紅外量子點，大幅度減小器件的暗電流和噪聲30倍以上，室溫下2.5微米延展短波波段比探測率達到4×1011 Jones，響應(yīng)時間為0.94微秒(圖2)。相關(guān)工作于2023年11月發(fā)表于中科院1區(qū)光學(xué)頂刊ACS Photonics。
該論文的第一作者為北京理工大學(xué)郝群教授，博士生薛曉夢、羅宇寧，通訊作者為北京理工大學(xué)陳夢璐準聘教授、唐鑫教授。
圖1 不同前驅(qū)體合成量子點形貌示意圖
圖2 形狀控制量子點與兩組參考樣品的器件性能對比
在此基礎(chǔ)上，本團隊制備了640×512像素的焦平面陣列成像芯片，有效像元率高達99.997%。(圖3)
圖3 形狀控制量子點640×512像素的焦平面成像結(jié)果圖
綜上，本次工作開發(fā)了量子點帶尾調(diào)控方法，通過單像素光電探測器及紅外焦平面驗證了該方法在暗電流和噪聲抑制上的可靠性，在高性能膠體量子點紅外光探測器發(fā)展中具有重要意義。
作者簡介：
郝群，北京理工大學(xué)特聘教授。國家級高層次人才，高校創(chuàng)新引智基地負責(zé)人，科技部重點領(lǐng)域創(chuàng)新團隊負責(zé)人，教育部跨世紀優(yōu)秀人才，北京市教學(xué)名師，全國“巾幗建功”標(biāo)兵。長期在新型光電成像傳感技術(shù)和光電精密測試技術(shù)領(lǐng)域從事教學(xué)和科研工作，主要研究方向包括新型光電成像技術(shù)、仿生光電感測技術(shù)、抗振干涉測量技術(shù)及儀器等方面。主持國家自然科學(xué)基金儀器專項/重點項目、科技部重點研發(fā)計劃、國家863項目等。擔(dān)任中國光學(xué)學(xué)會常務(wù)理事、光電專業(yè)委員會主任委員，中國
儀器儀表學(xué)會常務(wù)理事、光機電技術(shù)與系統(tǒng)集成分會常務(wù)副理事長，中國計量測試學(xué)會常務(wù)理事，中國兵工學(xué)會理事，光學(xué)專業(yè)委員會主任委員，中國光學(xué)光電子協(xié)會理事、紅外分會副理事長等社會兼職。擔(dān)任《Defense Technology》雜志副主編。
陳夢璐，北京理工大學(xué)光電學(xué)院準聘教授，博士生導(dǎo)師。入選國家級青年人才、北京市科技新星、中國科協(xié)“青年人才托舉工程”。2015年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院獲理學(xué)學(xué)士及嚴濟慈榮譽學(xué)士，2020年畢業(yè)于美國芝加哥大學(xué)物理系獲博士學(xué)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(yōu)化、室溫運行高性能中波紅外探測器、帶內(nèi)躍遷窄帶紅外探測等方面獲得突破性成果，在Nature Materials、Light：Science & Applications、ACS Nano等SCI雜志上發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇。
唐鑫，北京理工大學(xué)光電學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。入選國家級青年人才、中國科協(xié)“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(tǒng)開發(fā)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(guān)成果以第一作者/通訊作者發(fā)表于Nature Photonics、Advanced Materials、ACS Nano等期刊上?，F(xiàn)主持國家自然科學(xué)基金重點項目、科技部重點研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目等項目多項。
