高載流子遷移率膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)器使用

短波紅外和中波紅外波段是兩個(gè)重要的大氣窗口。在該波段范圍內(nèi)，碲化汞膠體量子點(diǎn)表現(xiàn)出良好的光響應(yīng)。此外，膠體量子點(diǎn)具有易于液相加工制備以及與硅基工藝兼容等優(yōu)勢(shì)，因此有望顯著降低紅外光電探測(cè)器的成本。然而，目前膠體量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)器在比探測(cè)率、響應(yīng)度等核心性能方面與傳統(tǒng)塊體半導(dǎo)體紅外探測(cè)器相比仍存在一定差距。有效地調(diào)控?fù)诫s和遷移率等輸運(yùn)性質(zhì)是提升量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)器性能的關(guān)鍵。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，北京理工大學(xué)光電學(xué)院和北京理工大學(xué)長(zhǎng)三角研究院的科研團(tuán)隊(duì)在《光學(xué)學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“高載流子遷移率膠體量子點(diǎn)紅外探測(cè)器”為主題的文章。該文章第一作者為薛曉夢(mèng)，通訊作者為陳夢(mèng)璐和郝群。

在本項(xiàng)工作中，研究人員采用混相配體交換的方法將載流子遷移率提升，并且實(shí)現(xiàn)了N型、本征型、P型等多種摻雜類型的調(diào)控。在此基礎(chǔ)之上，研究人員進(jìn)一步研究了輸運(yùn)性質(zhì)對(duì)探測(cè)器性能的影響。與光導(dǎo)型探測(cè)器相比，光伏型探測(cè)器不需要額外施加偏置電壓，沒有散粒噪聲，擁有更高的理論靈敏度，因此是本項(xiàng)工作的研究重點(diǎn)。同時(shí)，使用高載流子遷移率的本征型碲化汞量子點(diǎn)薄膜制備了短波及中波紅外光伏型光電探測(cè)器。

實(shí)驗(yàn)過程

材料的合成：

Te前驅(qū)體的制備

在氮?dú)猸h(huán)境下，稱量1.276 g（1 mmol）碲顆粒置于玻璃瓶中，并加入10 ml的三正辛基膦（TOP）中，均勻攪拌至溶解，得到透明淺黃色的溶液，即為TOP Te溶液。

碲化汞膠體量子點(diǎn)的合成

在氮?dú)猸h(huán)境下，稱量0.1088 g（0.4 mmol，氮?dú)猸h(huán)境下儲(chǔ)存）氯化汞粉末置于玻璃瓶中，并加入16 ml油胺（OAM），均勻攪拌并加熱至氯化汞粉末全部溶解。本工作中合成短波紅外和中波紅外碲化汞膠體量子點(diǎn)的反應(yīng)溫度分別為65℃和95℃。使用移液槍取0.4 mL的TOP Te溶液，快速注入到溶于油胺的氯化汞溶液中，反應(yīng)時(shí)間分別為4 min和6 min。反應(yīng)結(jié)束后加入20 ml無(wú)水四氯乙烯（TCE）作為淬火溶液。

碲化銀納米晶體顆粒的合成

在氮?dú)猸h(huán)境下，稱量0.068 g（0.4 mmol）硝酸，并加入1 mL油酸（OA）和10 mL油胺（OAM）中，均勻攪拌30 min。溶解后，注入1 mL TOP，快速加熱至160℃并持續(xù)30-45 min。然后向反應(yīng)溶液中注入0.2 mL TOP Te（0.2 mmol），反應(yīng)時(shí)間為10 min。

碲化汞膠體量子點(diǎn)的混相配體交換

混相配體交換過程包括液相配體交換和固相配體交換。選擇溴化雙十二烷基二甲基銨（DDAB）作為催化劑，將碲化汞膠體量子點(diǎn)溶在正己烷中，取4 ml混合溶液與160 μL β-巰基乙醇（β-ME）和8 mg DDAB在N, N-二甲基甲酰胺（DMF）中混合。之后向溶液中加入異丙醇（IPA）進(jìn)行離心，倒掉上清液，將沉淀物重新溶解在60 μL DMF中。固相配體交換是在制備量子點(diǎn)薄膜后，用1,2-乙二硫醇（EDT）、鹽酸（HCL）和IPA（體積比為120）溶液對(duì)已成膜的碲化汞膠體量子點(diǎn)表面進(jìn)行處理。

碲化汞膠體量子點(diǎn)的摻雜調(diào)控

在調(diào)控碲化汞膠體量子點(diǎn)的摻雜方面，Hg2?可以通過表面偶極子穩(wěn)定量子點(diǎn)中的電子，所以選擇汞鹽（HgCl?）來(lái)調(diào)控量子點(diǎn)的摻雜狀態(tài)。在液相配體交換結(jié)束后，向溶于DMF的碲化汞膠體量子點(diǎn)溶液中加入10 mg HgCl?得到本征型碲化汞膠體量子點(diǎn)，加入20 mg HgCl?得到N型碲化汞膠體量子點(diǎn)。

材料表征

采用混相配體交換的方法不僅可以提高載流子遷移率還可以通過表面偶極子調(diào)控碲化汞膠體量子點(diǎn)的摻雜密度。液相配體交換前后中波紅外碲化汞膠體量子點(diǎn)的TEM圖像如圖1（a）所示，可以看到，進(jìn)行液相配體交換后的碲化汞膠體量子點(diǎn)之間的間距明顯減小，排列更加緊密。致密的排列可以提高碲化汞膠體量子點(diǎn)對(duì)光的吸收率?；煜嗯潴w交換后的短波紅外和中波紅外碲化汞膠體量子點(diǎn)的吸收光譜如圖1（b）所示，從圖1（b）可以看出，短波紅外和中波紅外碲化汞膠體量子點(diǎn)的吸收峰分別為5250 cm?1和2700 cm?1。

利用場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）對(duì)碲化汞膠體量子點(diǎn)的遷移率和薄膜的摻雜狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，研究人員把碲化汞膠體量子點(diǎn)沉積在表面有一層薄的SiO?作為絕緣層的Si基底上，基底兩側(cè)的金電極分別作為漏極和源極，Si作為柵極，器件結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示。通過控制柵極的極性和電壓大小，可以使場(chǎng)效應(yīng)晶體管分別處于截止或?qū)顟B(tài)。圖1（d）是N型、本征型和P型中波紅外碲化汞膠體量子點(diǎn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移曲線。研究人員利用FET傳輸曲線的斜率計(jì)算了載流子的遷移率μFET。

圖1 （a）混相配體交換前后碲化汞膠體量子點(diǎn)的透射電鏡圖；（b）短波紅外和中波紅外碲化汞膠體量子點(diǎn)的吸收光譜；（c）碲化汞膠體量子點(diǎn)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)量原理圖；（d）在300K時(shí)N型、本征型和P型中波紅外碲化汞膠體量子點(diǎn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移曲線測(cè)試結(jié)果。

分析與討論

碲化汞膠體量子點(diǎn)光電探測(cè)器的制備

光伏型探測(cè)器不需要施加額外的偏置電壓，沒有散粒噪聲，理論上會(huì)具有更好的性能，借鑒之前文獻(xiàn)中的報(bào)告，器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為Al?O?/ITO/HgTe/Ag?Te/Au，制備方法如下：

第一步，在藍(lán)寶石基底上磁控濺射沉積50 nm ITO，ITO的功函數(shù)在4.5~4.7 eV之間。第二步，制備約470 nm的本征型碲化汞膠體量子點(diǎn)薄膜。第三步，取50 μL碲化銀納米晶體溶液以3000 r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)30 s，然后用HgCl?/MEOH（10 mmol/L）溶液靜置10 s后以3000 r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)30 s，重復(fù)上述步驟兩次。在這里，Ag?作為P型摻雜層，與本征型碲化汞膠體量子點(diǎn)層形成P-I異質(zhì)結(jié)。

最后，將器件移至蒸發(fā)鍍膜機(jī)中，在真空環(huán)境（5×10?? Pa）下蒸鍍50 nm Au作為頂層的電極。高遷移率光伏型探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖和橫截面掃描電鏡圖如圖2（a）所示。能級(jí)圖如圖2（b）所示。制備好的探測(cè)器的面積為0.2 mm × 0.2 mm。

圖2 （a）高遷移率碲化汞膠體量子點(diǎn)P-I異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖及掃描電鏡截面圖;（b）碲化汞膠體量子點(diǎn)P-I異質(zhì)結(jié)能帶圖。

器件性能表征

為了探究高載流子遷移率短波紅外和中波紅外光伏型探測(cè)器的光電特性，研究人員測(cè)試了器件的I-V曲線以及響應(yīng)光譜。圖3（a）和（b）分別是高遷移率短波紅外和中波紅外器件的I-V特性曲線，可以看到短波紅外和中波紅外探測(cè)器的開路電壓分別為140 mV和80 mV，這表明PI結(jié)中形成了較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)。此外，在零偏置下，高遷移率短波紅外和中波紅外器件的光電流分別為0.27 μA和5.5 μA。圖3（d）和（e）分別為1.9 μm（300 K） ~ 2.03 μm（80 K）的短波紅外器件的響應(yīng)光譜和3.5 μm（300 K） ~ 4.2 μm（80 K）的中波紅外器件的響應(yīng)光譜。

比探測(cè)率D*和響應(yīng)度R是表征光電探測(cè)器性能的重要參數(shù)。R是探測(cè)器的響應(yīng)度，用來(lái)描述器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理量，即輸出信號(hào)光電流與輸入光信號(hào)功率之比。

圖3 （a）300 K時(shí)短波紅外I-V曲線；（b）80 K時(shí)中波紅外I-V曲線；（c）短波紅外及中波紅外器件的比探測(cè)率隨溫度的變化；（d）短波紅外器件在80 K和300 K時(shí)的光譜響應(yīng)；（e）中波紅外器件在80 K和300 K時(shí)的光譜響應(yīng)；（f）短波紅外和中波紅外器件的響應(yīng)度隨溫度的變化。

圖3（e）和（f）給出了探測(cè)器的比探測(cè)率D*和響應(yīng)度R隨溫度的變化?？梢钥吹剑滩t外器件在所有被測(cè)溫度下，D*都可以達(dá)到1×1011 Jones以上，中波紅外器件在110 K下的D*達(dá)到了1.2×1011 Jones。

應(yīng)用

此外，本工作驗(yàn)證高載流子遷移率的短波紅外和中波紅外量子點(diǎn)光電探測(cè)器在實(shí)際應(yīng)用，如光譜儀和紅外相機(jī)。光譜儀實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖4（a）所示，其內(nèi)部主要是一個(gè)邁克爾遜干涉儀。圖4（b）和（c）為使用短波紅外和中波紅外量子點(diǎn)器件探測(cè)時(shí)有樣品和沒有樣品的光譜響應(yīng)結(jié)果。圖4（e）和圖4（f）為樣品在短波紅外和中波紅外波段的透過率曲線。對(duì)于短波紅外波段，研究人員選擇了CBZ、DDT、BA和TCE這四種樣品，它們?cè)诳梢姽庀露际峭该鞯?，肉眼無(wú)法進(jìn)行區(qū)分，但在短波紅外的光譜響應(yīng)和透過率不同。對(duì)于中波紅外波段，研究人員選擇了PP和PVC這兩個(gè)樣品。在可見光下它們都是白色的塑料，但在中波紅外光譜響應(yīng)和透過率不同。圖4（d）為自制短波紅外和中波紅外單點(diǎn)相機(jī)的掃描成像。，短波相機(jī)成像可以給出材質(zhì)信息。中波紅外相機(jī)成像則是反應(yīng)熱信息。以烙鐵的中波紅外成像為例，可以清楚地了解烙鐵內(nèi)部的溫度分布。在可見光下，硅片呈現(xiàn)不透明的狀態(tài)使用自制的短波紅外相機(jī)成像后硅片呈現(xiàn)半透明的狀態(tài)。

圖4 （a）利用高載流子遷移率探測(cè)器進(jìn)行響應(yīng)光譜測(cè)量的原理示意圖；（b）和（c）分別是在有樣品和沒有樣品兩種模式下用自制探測(cè)器所探測(cè)到的光譜響應(yīng)；（d）自制短波紅外和中波紅外光電探測(cè)器的單像素掃描成像結(jié)果圖；（e）TCE、BA、DDT和CBZ在短波紅外模式下的透光率，插圖為四種樣品的可見光圖像；（f）PVC和PP在中波紅外模式下的透光率，插圖為兩種樣品的可見光圖像。

結(jié)論

綜上所述，研究人員采用混相配體交換的方法，將量子點(diǎn)薄膜中的載流子遷移率提升到了1 cm2/Vs，相較于之前的研究提升了2個(gè)量級(jí)。并且通過加入汞鹽實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子點(diǎn)薄膜的摻雜調(diào)控，分別實(shí)現(xiàn)了P型、本征型以及N型多種類型的量子點(diǎn)薄膜。同時(shí)，研究人員基于本征型高遷移率量子點(diǎn)制備了短波紅外和中波紅外波段的光伏型光電探測(cè)器。測(cè)試結(jié)果表明，提升量子點(diǎn)的輸運(yùn)性質(zhì)，有效的提升了探測(cè)器的響應(yīng)率、比探測(cè)率等核心性能，并且實(shí)現(xiàn)了光譜儀和紅外相機(jī)等應(yīng)用。本項(xiàng)工作促進(jìn)了低成本、高性能量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)器的發(fā)展。

這項(xiàng)研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（NSFC No.U22A2081、No.62105022）、中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)青年托舉工程（No.YESS20210142）和北京市科技新星計(jì)劃（No.Z211100002121069）的資助和支持。

審核編輯：劉清