科學(xué)家實(shí)現(xiàn)超快短波近紅外量子點(diǎn)光電器件，可用于超快成像與激光雷達(dá)等領(lǐng)域

與可見光和近紅外光相比，短波近紅外光具有顯著優(yōu)勢(shì)。比如，散射比較低，即便在霧、霾、沙塵等復(fù)雜天氣下，仍然可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)成像。

另外，因?yàn)槎鄶?shù)分子的指紋信息都在短波近紅外波段，所以在進(jìn)行探測(cè)時(shí)，還能夠得到更多關(guān)于物質(zhì)的指紋信息。
（來源：Advanced Materials）
基于此，短波近紅外在超快成像和無人駕駛激光雷達(dá)等多個(gè)領(lǐng)域，擁有良好的潛在應(yīng)用前景。
然而，如今市場(chǎng)上的那些超快探測(cè)器，都是利用如（In，Ga）As 或（Hg，Cd）Te 外延半導(dǎo)體材料制備而成，不但工藝復(fù)雜，設(shè)備也很昂貴。
在這種情況下，膠體量子點(diǎn)因具備傳統(tǒng)外延材料所不能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，而在短波近紅外光電探測(cè)中脫穎而出。
這包括溶液的大批量制備成本極低、器件制備工藝非常簡便，以及量子點(diǎn)材料的響應(yīng)波長，能夠在同一種材料中通過調(diào)節(jié)尺寸而改變等。
盡管如此，基于膠體量子點(diǎn)的短波近紅外光電器件，依舊不能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。原因在于，它的響應(yīng)速度只有 10 納秒左右，但應(yīng)用的最低門檻卻在納秒量級(jí)。
當(dāng)然，如果速度能達(dá)到亞納秒/皮秒、甚至是飛秒量級(jí)，對(duì)于商業(yè)化應(yīng)用的推進(jìn)會(huì)更加有利。
（來源：Advanced Materials）
為攻克上述難題，近期，來自比利時(shí)根特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，通過設(shè)計(jì)超薄結(jié)構(gòu)降低載流子的輸運(yùn)時(shí)間，從而成功地將基于膠體量子點(diǎn)的短波近紅外光電器件的響應(yīng)速度，降低至 4 納秒。
實(shí)際上，在制備領(lǐng)域，研究人員通常不會(huì)想到去利用超薄結(jié)構(gòu)。這主要是因?yàn)?，如果量子點(diǎn)層的厚度變薄，對(duì)光的吸收就會(huì)降低，器件的量子效率也會(huì)隨之降低。
“我們通過利用法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)，把量子點(diǎn)層對(duì)光的吸收增加了 2.5 倍，這樣就能保證即使在超薄結(jié)構(gòu)下，量子效率依然可以保持較高的水平?！备卮髮W(xué)博士后研究員鄧玉豪解釋道。
圖丨鄧玉豪（來源：資料圖）
另外，由于該課題組在此基礎(chǔ)上也對(duì)制備工藝做了進(jìn)一步優(yōu)化，克服了采用傳統(tǒng)方法制備超薄器件時(shí)的一些困難，因此他們?cè)谑斋@超快響應(yīng)的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了高的量子效率、高的整流比，以及低的暗電流。
近日，相關(guān)論文以《通過超薄吸收層實(shí)現(xiàn)納秒響應(yīng)時(shí)間的短波紅外膠體量子點(diǎn)光電探測(cè)器》（Short-Wave Infrared Colloidal QDs Photodetector with Nanosecond Response Times Enabled by Ultrathin Absorber Layers）為題在 Advanced Materials 上發(fā)表[1]。
鄧玉豪博士是第一作者兼共同通訊作者，根特大學(xué)澤格·亨斯（Zeger Hens）教授擔(dān)任共同通訊作者。
圖丨相關(guān)論文（來源：Advanced Materials）
如上所說，基于膠體量子點(diǎn)的短波近紅外光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，只有達(dá)到亞納秒/皮秒量級(jí)，才能實(shí)現(xiàn)在激光雷達(dá)領(lǐng)域成熟的商業(yè)化應(yīng)用。
所以，在該研究的基礎(chǔ)上，該課題組也計(jì)劃進(jìn)一步提高量子點(diǎn)膜的遷移率，以實(shí)現(xiàn)皮秒量級(jí)的超快探測(cè)。
“這在理論上是完全可行的，但具體做起來還需要解決很多困難?！编囉窈啦┦勘硎尽?/span>
與此同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)也希望制備不含有毒重金屬的超快短波近紅外器件，通過使用無毒無害的高性能材料，來更加長遠(yuǎn)地保護(hù)人類的居住環(huán)境。
光電器件，是鄧玉豪一直以來的研究方向。在深耕該領(lǐng)域的過程中，他也獲得了諸多體悟。
例如，要想制備高性能器件，盲目地做實(shí)驗(yàn)并非是一種好的方法，關(guān)鍵是要先把其中的原理理解透徹。
“就拿我們這項(xiàng)研究來說，只有理解了探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間是由什么因素決定的，才知道該如何對(duì)其響應(yīng)速度進(jìn)行優(yōu)化，也才能夠得到世界上最快的器件?！?span style=";padding: 0px;outline: 0px;max-width: 100%;caret-color: rgb(89, 89, 89);box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important">鄧玉豪說。
他認(rèn)為，只要知道為什么，就已經(jīng)很接近答案了。所以，要去理解原理，多問為什么，同時(shí)不要害怕遇到困難或者遭受失敗。
“在科學(xué)研究的道路上，困難就意味著機(jī)會(huì)。如果是領(lǐng)域的困難，也就意味著這是領(lǐng)域突破的機(jī)會(huì)；如果是人類發(fā)展上的困難，那就是人類歷史上的創(chuàng)新機(jī)會(huì)?！?span style=";padding: 0px;outline: 0px;max-width: 100%;caret-color: rgb(89, 89, 89);box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important">鄧玉豪如是說。

參考資料：

1.Y.,Deng,C.,Pang,E.,Kheradmand. et al. Short-Wave Infrared Colloidal QDs Photodetector with Nanosecond Response Times Enabled by Ultrathin Absorber Layers. Advanced Materials（2024）. https://doi.org/10.1002/adma.202402002

運(yùn)營/排版：何晨龍

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