突破！全球最快短波近紅外量子點探測器

01?【導讀】

短波近紅外（SWIR，1000-3000 nm）光的散射較弱，使其在惡劣天氣或生物組織中也能提供長距離的有效檢測，并在成像場景中提供更多物質化學信息，同時對人眼更安全。這使得SWIR在光通信、遠程遙感、自動化視覺技術、生物成像、環境監測和光譜技術等領域中發揮著關鍵作用。然而，目前市場上的SWIR傳感器采用異質外延技術，但由于其制備方法繁瑣，不適合大規模、低成本的3D成像應用。隨著膠體量子點（QDs）的出現，其尺寸可調的光學特性使其成為檢測SWIR光的理想選擇。雖然近年來SWIR光電二極管結構探測器的響應時間有所縮短，但至今仍未達到納秒級水平，這成為將膠體量子點應用于SWIR光電探測領域的主要挑戰之一。

02【成果掠影】

近日，比利時根特大學的鄧玉豪（第一作者兼通訊作者）等人取得了一項突破性進展，成功利用超薄的膠體量子點吸收層，實現了基于膠體量子點的SWIR光電二極管（QDPDs）的納秒級響應，創造了SWIR領域最快的膠體量子點光電探測器。這一研究成果以《Advanced Materials》上的文章“Short-Wave Infrared Colloidal QDs Photodetector with Nanosecond Response Times Enabled by Ultrathin Absorber Layers”為題發表，為膠體量子點在超快短波近紅外探測技術的進一步研究和應用提供了重要參考。

03【核心創新點】

1.作者通過優化超薄結構器件的制備方法，克服了傳統方法的不足，得到1600整流比，42%外量子點效率，98%內量子效率的光電二極管器件。

2.作者通過結構優化，實現了超薄結構下量子點層2.5倍的吸收增強，使得超薄層仍然可以獲得較高EQE。

3.作者通過厚度與面積優化，平衡了載流子遷移與RC延遲時間，最終得到創紀錄的4?ns?響應時間。

04【數據概覽】

圖一，探測器響應時間的數值模擬。計算表明，漂移時間將限制厚度較大的器件的響應，而RC延遲效應將決定較薄器件的響應時間，通過降低器件面積，可以實現納秒級的響應時間。

圖二，超薄器件制備流程優化。作者通過濃度梯度的交換法，提高了PN結的質量，得到了整流比1600的器件。

圖三，器件結構示意圖和性能。器件的膠體量子點層優化為100 nm，器件的EQE達到了42%，利用結構形成法布里-珀羅腔，在超薄結構的基礎上將量子點層的吸收增強了2.5倍，器件的內量子效率可以高達98%。

圖四，不同大小，不同厚度器件的響應時間。通過降低器件面積，優化器件的厚度可以使得器件具有更快的響應，最終實現了4 ns響應時間的世界紀錄，也是首次將膠體量子點短波近紅外探測速度逼近到了納秒級別。

圖五，進一步提快器件的響應分析。通過提高量子點層的遷移率，結構還可以繼續優化，完全可以實現亞納秒的響應時間，這為接下來膠體量子點超快探測器的研究闡明了研究方向。

05【成果啟示】

這項研究實現了一項重大突破，首次設計了超薄吸收層的膠體量子點光電探測器，成功在短波紅外波段實現了納秒級的響應時間。通過采用濃度梯度的配體交換方法，制備了具有高質量PN結的薄膜結構器件。這些光電探測器在1330 nm處獲得了42%的外部量子效率，這得益于在QDPD內形成的法布里-珀羅腔和高效的光生電荷提取。此外，通過進一步提高載流子遷移率，這些器件可以實現亞納秒級的響應時間。這項研究的成功突破將對SWIR超快光電探測技術的未來發展產生重大影響。

06【作者簡介】

Yu-Hao Deng (鄧玉豪)博士，比利時根特大學BOF博士后研究員，主要研究方向為膠體量子點材料與光電器件以及鈣鈦礦材料表征與光電器件。鄧博士之前已在Nature，Advanced Materials，Matter, Nano Letters，Physical Review Letters，Advanced Science等國際期刊上發表文章數篇。

課題組主頁：https://www.nano.ugent.be/content/jobs?

文獻鏈接：Short-Wave Infrared Colloidal QDs Photodetector with Nanosecond Response Times Enabled by Ultrathin Absorber Layers ??

https://doi.org/10.1002/adma.202402002?