Nature Nanotechnology：超高增益膠體量子點紅外光電探測器

一、【科學背景】

隨著第四次工業革命的到來，人與機器之間的無縫互聯和通信受到重視。高靈敏度紅外光電探測器（IRPDs）已成為連接人機界面的關鍵。傳統IRPDs依賴硅、鍺及III-V族化合物材料，制造過程復雜且成本高昂。膠體量子點（CQDs）具有高探測率和低成本的優點，是紅外光電探測器的理想材料。然而，由于電子的非相干跳躍，典型的CQD基IRPDs的載流子遷移率比晶體半導體低10⁴-10⁶倍。此外，CQD表面上的懸掛鍵會導致電荷復合并阻礙有效的電荷提取，進一步限制了其性能表現。雖然目前已有其他策略部分改善了CQD性能，但其低帶隙特性仍易受熱噪聲影響，限制了CQD基IRPDs的探測能力。

二、【創新成果】

基于此，韓國科學技術院Min-Ho Lee教授和Jung-Yong Lee教授在Nature Nanotechnology發表了題為“Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors”的論文，提出了一種動能泵浦雪崩倍增的新型CQD基IRPDs的開創性架構。通過向厚CQD層（>540nm）施加強電場，電子獲得了超過CQD材料帶隙的動能，從而實現動能泵浦電荷倍增。通過平衡碰撞電離和電子跳躍，將CQD點間距離優化到約4.1 nm，可以顯著提高性能。研究人優化的CQD基IRPDs在940nm處實現了最大增益85倍和1.4×10¹⁴ Jones的峰值探測率。這種架構為單光子探測和超高探測率應用提供了新的方向。?

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圖1 ?CQD基IRPDs的增加機制評估 ? 2024 Springer Nature

圖2 ?硫醇配體的CQD固體的表征 ? 2024 Springer Nature

圖3 ?巰基處理CQDs的DFT計算 ? 2024 Springer Nature

圖4 ?940nm光源下CQD基IRPDs器件性能 ? 2024 Springer Nature

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三、【科學啟迪】

本研究首次提出了一種基于動能泵浦雪崩倍增的CQD基IRPDs架構。通過在厚度超過540? nm的CQD層中施加強電場，使電子獲得超過CQD材料帶隙的動能，從而引發動能驅動的電荷倍增。研究表明，點間距離的優化對電荷倍增和電子跳躍之間的平衡至關重要。通過將CQD點間距離調整至約4.1?nm，不僅降低了電荷倍增的閾能，還有效抑制了CQD聚集引起的器件退化，從而顯著提升了器件的穩定性和探測性能。優化后的CQD紅外光電探測器在940?nm波長下實現了最大電荷倍增增益85倍、1.4?×?10^14? Jones的峰值探測率以及1.1?×?10⁶?Hz帶寬。這種經濟且具有電荷倍增能力的CQD基IRPDs架構在一系列應用，特別是在需要高性能IRPD的新興傳感器中具有巨大的潛力。

原文詳情：Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors (Nature Nanotechnology 2024, DOI: 10.1038/s41565-024-01831-x)

本文由大兵哥供稿。