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研究背景

紅外光電探測(cè)器（IRPDs）是實(shí)現(xiàn)人機(jī)無縫交互的重要器件，因其在通信、安防、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而成為研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)IRPDs依賴硅、鍺及III-V族化合物材料，這些材料需通過高溫外延工藝精確調(diào)控成分，導(dǎo)致制造過程復(fù)雜且成本高昂。此外，傳統(tǒng)IRPDs在性能提升方面也受到材料本身帶隙和熱噪聲等因素的限制。

膠體量子點(diǎn)（CQDs）因其可溶液加工性和便捷的帶隙調(diào)控性，為解決上述問題提供了新思路。然而，CQDs的電荷傳輸效率較低，載流子遷移率比晶體半導(dǎo)體低10^4到10^6倍，同時(shí)CQD表面的懸掛鍵導(dǎo)致電荷復(fù)合和提取效率下降，進(jìn)一步限制了其性能表現(xiàn)。雖然已有研究通過引入鹵化物或硫醇配體和優(yōu)化CQD墨水配方等方法部分改善了CQD性能，但其低帶隙特性仍易受熱噪聲影響，限制了IRPD的探測(cè)能力。

成果簡(jiǎn)介

有鑒于此，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Byeongsu Kim，Jung-Yong Lee等人在Nature Nanotechnology期刊上發(fā)表了題為“Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors”的最新論文。

科學(xué)家提出了一種基于動(dòng)能泵浦雪崩倍增的新型CQD基IRPD架構(gòu)。通過在厚度超過540?nm的CQD層中施加強(qiáng)電場(chǎng)，電子獲得動(dòng)能并實(shí)現(xiàn)動(dòng)能泵浦電荷倍增。研究表明，優(yōu)化CQD點(diǎn)間距離至約4.1?nm，可以有效平衡撞擊電離與電子跳躍，從而顯著提升器件性能。經(jīng)優(yōu)化的CQD基IRPD實(shí)現(xiàn)了最大增益85倍和峰值探測(cè)度1.4?×?10^14?Jones，為高探測(cè)性和單光子探測(cè)領(lǐng)域提供了新的技術(shù)路徑。

研究亮點(diǎn)

1. 本研究首次提出了一種基于動(dòng)能泵浦雪崩倍增的膠體量子點(diǎn)（CQD）紅外光電探測(cè)器架構(gòu)。通過在厚度超過540?nm的CQD層中施加強(qiáng)電場(chǎng)，使電子獲得超過CQD材料帶隙的動(dòng)能，從而引發(fā)動(dòng)能驅(qū)動(dòng)的電荷倍增。這一創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了光誘導(dǎo)電荷倍增的高效利用，突破了傳統(tǒng)CQD紅外探測(cè)器在熱噪聲下性能受限的瓶頸。

2. 研究表明，點(diǎn)間距離（dDtoD）的優(yōu)化對(duì)電荷倍增和電子跳躍之間的平衡至關(guān)重要。通過將點(diǎn)間距離調(diào)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(wěn)定性和探測(cè)性能。

3. 優(yōu)化后的CQD紅外光電探測(cè)器在940?nm波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了最大電荷倍增增益85倍、峰值探測(cè)度1.4?×?10¹⁴?Jones以及帶寬1.1?×?10⁶?Hz。這些參數(shù)均顯著優(yōu)于現(xiàn)有可溶液加工的紅外探測(cè)器，展現(xiàn)了其在單光子探測(cè)及超高探測(cè)性應(yīng)用中的潛力。

圖文解讀

圖1:基于膠體量子點(diǎn)CQD，紅外光電探測(cè)器infrared photodetectors，IRPDs增殖機(jī)制評(píng)估。

圖2:具有硫醇配體的膠體量子點(diǎn)CQD固體表征。

圖3: 利用巰基thiol處理，膠體量子點(diǎn)CQDs的DFT計(jì)算。

圖4:在940nm紅外光源下，基于膠體量子點(diǎn)CQD的紅外光電探測(cè)器IRPD器件性能。

結(jié)論展望

本文研究表明，通過電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)的電荷倍增機(jī)制，可以顯著提高CQD層的探測(cè)能力，尤其是在采用適當(dāng)?shù)呐潴w處理后，能夠有效抑制電子隧穿噪聲和提升電荷倍增效應(yīng)。

CQD層的厚度對(duì)電荷倍增有著至關(guān)重要的影響，研究強(qiáng)調(diào)了保持適當(dāng)?shù)腃QD層厚度（超過540nm）對(duì)于優(yōu)化探測(cè)器性能的重要性。研究還揭示了配體長(zhǎng)度對(duì)CQD性能的影響，盡管較長(zhǎng)的配體可以增強(qiáng)電荷倍增，但也可能影響電子跳躍的概率，進(jìn)一步揭示了CQD層的結(jié)構(gòu)與性能之間復(fù)雜的關(guān)系。

此外，研究通過結(jié)合DFT計(jì)算和Poole-Frenkel模型，深入分析了電荷倍增的機(jī)理，這為進(jìn)一步理解和設(shè)計(jì)高性能CQD基器件提供了理論基礎(chǔ)?？傊狙芯繛楦咝Ъt外探測(cè)器的設(shè)計(jì)提供了新的思路，特別是在配體優(yōu)化、電荷倍增和噪聲抑制方面。

文獻(xiàn)信息

Kim, B., Lee, S.Y., Ko, H. et al. Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors. Nat. Nanotechnol. (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/12/23/f3714a81a4/

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