运用碲化汞（HgTe）胶体量子点实现波长达18 μm的光探测

胶体量子点（CQD）凭仗其具备高通量溶液加工能耐以及紫外（UV）到红外（IR）波段的运用宽带隙可调谐性，因此在光电子器件中备受关注。碲化点实的光有些钻研者可能会质疑胶体量子点波长规模的体量探测下限。迄今为止，现波尽管胶体量子点的长达罗致波长已经扩展至太赫兹（THz）波段，但实际的运用光探测波长仅限于中波红外（MWIR）。钻研胶体量子点在更长波长的碲化点实的光光照应挑战，将有助于揭示这些纳米质料的体量探测最终特色。更紧张的现波是，这也激发了钻研者对于自下而上的长达红外光探测的兴趣，与外在妨碍的运用半导体块体质料比照，这种技术的碲化点实的光老本才不到10%。

据麦姆斯咨询报道，体量探测克日，现波北京理工大学光电学院郝群教授以及陈梦璐准聘教授的长达科研团队开拓了一种再妨碍措施并妨碍了离子异化修饰，运用碲化汞（HgTe）胶体量子点实现为了波长达18 μm的光探测。在液氮温度下，18 μm以及10 μm胶体量子点光电导体的照应度（R）分说抵达0.3 A/W以及0.13 A/W，比探测率（D*）分说抵达6.6 × 10⁸ Jones以及2.3 × 10⁹ Jones。这项钻研是朝着探究“胶体量子点光探测波长限度”这一普遍下场所迈出的一步。相关钻研下场以“Very long wave infrared quantum dot photodetector up to 18 μm”为主题宣告在Light: Science & Applications期刊上。

为了分解大尺寸的HgTe胶体量子点，需运用过多的汞先驱体，其中汞离子（Hg²⁺）作为概况配体以取患上精采的晃动性。在本钻研中，汞与碲的比例为4:1。此外，钻研职员开拓了再妨碍措施，运用高活性的双三甲基硅基碲（TMSTe）快捷成核，并逐滴削减低活性的三辛基碲化膦（TOPTe）来实现纳米晶体的再妨碍。

这项钻研制备的长波红外（LWIR）以及甚长波红外（VLWIR）HgTe胶体量子点的罗致光谱如图1a以及图1b所示。图1c以及图1d揭示了透射电子显微镜（TEM）测定的长波红外以及甚长波红外胶体量子点的形态以及尺寸。量子点间距大大减小后退了胶体量子点的电子耦合以及载流子传输功能。异化操作对于高功能红外光探测来说至关紧张。此外，图1e揭示了本征长波红外以及甚长波红外胶体量子点的光致发光，峰值分说为1025 cm⁻¹以及1320 cm⁻¹。

图1 长波红外以及甚长波红外HgTe胶体量子点的表征

随后，钻研职员经由电化学以及场效应晶体管（FET）丈量进一步判断了胶体量子点的能量带隙图以及传输特色。图2为碘（I₂）处置先后长波红外胶体量子点的典型传输特色表征。其中图2a至图2c揭示了HgTe胶体量子点的能量带隙图、电化学展现图以及FET试验展现图。

图2 长波红外HgTe胶体量子点的传输特色表征

图3揭示了长波红外以及甚长波红外胶体量子点光电导体。其中，图3a至图3c分说为光电探测器实物图、电极以及扫描电镜（SEM）截面图。图3d展现了经由步进器丈量的光电探测器厚度，以及运用原子力显微镜（AFM）绘制的概况粗拙度图。图3e以及图3f分说展现了长波红外以及甚长波红外胶体量子点光电探测器上的光电流以及暗电流曲线。

图3 HgTe胶体量子点光电探测器的表征

最后，钻研职员进一步探究了载流子迁移率比力应度以及EQE的影响。图4a揭示了暗电流与温度的函数关连，以提取热载流子上的活化能。图4b揭示了VLWIR以及LWIR胶体量子点光电探测器上的照应度（红色）以及纯光电流与暗电流比（蓝色）随温度的变更趋向。

图4 HgTe胶体量子点光电探测器的光电探测特色

综上所述，这项钻研探究了大尺寸HgTe胶体量子点及其在长波红外以及甚长波红外波段的光探测功能。钻研职员接管再妨碍法分解了直径达15.6 nm的大尺寸HgTe胶体量子点。对于胶体量子点固体妨碍I₂处置可精确地将异化从强n型调节到近本征型，同时妨碍概况钝化以削减在情景中进一步氧化。此外，混合相配体交流处置可能将载流子迁移率后退100倍，抵达10 cm²/Vs，从而后退了载流子的传输功能。这些处置使患上18 μm甚长波红外胶体量子点光电探测器在80 K时的照应度抵达0.3 A/W，比探测率抵达6.6 × 10⁸ Jones；10 μm长波红外胶体量子点光电探测器在80 K时的照应度抵达0.13 A/W，比探测率抵达2.3 × 10⁹ Jones。高迁移率甚长波红外胶体量子点光电导体的照应度比低迁移率参考样品高了670倍。同时，钻研职员发现照应度受到载流子漂移长度与电极间隙的比值以及罗致系数的限度。这些钻研服从还表明，适量的配体修饰以取患上高迁移率以及精采的载流子寿命，对于长波长光探测来说至关紧张。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01436-y

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