利用碲化汞（HgTe）膠體量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)達(dá)18 μm的光探測(cè)

膠體量子點(diǎn)（CQD）憑借其具有高通量溶液加工能力以及紫外（UV）到紅外（IR）波段的寬帶隙可調(diào)諧性，因而在光電子器件中備受關(guān)注。有些研究者可能會(huì)質(zhì)疑膠體量子點(diǎn)波長(zhǎng)范圍的上限。迄今為止，雖然膠體量子點(diǎn)的吸收波長(zhǎng)已擴(kuò)展至太赫茲（THz）波段，但實(shí)際的光探測(cè)波長(zhǎng)僅限于中波紅外（MWIR）。研究膠體量子點(diǎn)在更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光響應(yīng)挑戰(zhàn)，將有助于揭示這些納米材料的最終特性。更重要的是，這也激發(fā)了研究者對(duì)自下而上的紅外光探測(cè)的興趣，與外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體塊體材料相比，這種技術(shù)的成本才不到10%。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院郝群教授和陳夢(mèng)璐準(zhǔn)聘教授的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種再生長(zhǎng)方法并進(jìn)行了離子摻雜修飾，利用碲化汞（HgTe）膠體量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)達(dá)18 μm的光探測(cè)。在液氮溫度下，18 μm和10 μm膠體量子點(diǎn)光電導(dǎo)體的響應(yīng)度（R）分別達(dá)到0.3 A/W和0.13 A/W，比探測(cè)率（D*）分別達(dá)到6.6 × 10? Jones和2.3 × 10? Jones。這項(xiàng)研究是朝著探索“膠體量子點(diǎn)光探測(cè)波長(zhǎng)限制”這一普遍問(wèn)題所邁出的一步。相關(guān)研究成果以“Very long wave infrared quantum dot photodetector up to 18 μm”為主題發(fā)表在Light: Science & Applications期刊上。

為了合成大尺寸的HgTe膠體量子點(diǎn)，需使用過(guò)量的汞前驅(qū)體，其中汞離子（Hg2?）作為表面配體以獲得良好的穩(wěn)定性。在本研究中，汞與碲的比例為4:1。此外，研究人員開(kāi)發(fā)了再生長(zhǎng)方法，利用高活性的雙三甲基硅基碲（TMSTe）快速成核，并逐滴添加低活性的三辛基碲化膦（TOPTe）來(lái)實(shí)現(xiàn)納米晶體的再生長(zhǎng)。

這項(xiàng)研究制備的長(zhǎng)波紅外（LWIR）和甚長(zhǎng)波紅外（VLWIR）HgTe膠體量子點(diǎn)的吸收光譜如圖1a和圖1b所示。圖1c和圖1d展示了透射電子顯微鏡（TEM）測(cè)定的長(zhǎng)波紅外和甚長(zhǎng)波紅外膠體量子點(diǎn)的形狀和尺寸。量子點(diǎn)間距大大減小提高了膠體量子點(diǎn)的電子耦合和載流子傳輸效率。摻雜控制對(duì)高性能紅外光探測(cè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。此外，圖1e展示了本征長(zhǎng)波紅外和甚長(zhǎng)波紅外膠體量子點(diǎn)的光致發(fā)光，峰值分別為1025 cm?1和1320 cm?1。

圖1 長(zhǎng)波紅外和甚長(zhǎng)波紅外HgTe膠體量子點(diǎn)的表征

隨后，研究人員通過(guò)電化學(xué)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）測(cè)量進(jìn)一步確定了膠體量子點(diǎn)的能量帶隙圖和傳輸特性。圖2為碘（I?）處理前后長(zhǎng)波紅外膠體量子點(diǎn)的典型傳輸特性表征。其中圖2a至圖2c展示了HgTe膠體量子點(diǎn)的能量帶隙圖、電化學(xué)示意圖以及FET實(shí)驗(yàn)示意圖。

圖2 長(zhǎng)波紅外HgTe膠體量子點(diǎn)的傳輸特性表征

圖3展示了長(zhǎng)波紅外和甚長(zhǎng)波紅外膠體量子點(diǎn)光電導(dǎo)體。其中，圖3a至圖3c分別為光電探測(cè)器實(shí)物圖、電極以及掃描電鏡（SEM）截面圖。圖3d顯示了通過(guò)步進(jìn)器測(cè)量的光電探測(cè)器厚度，以及利用原子力顯微鏡（AFM）繪制的表面粗糙度圖。圖3e和圖3f分別顯示了長(zhǎng)波紅外和甚長(zhǎng)波紅外膠體量子點(diǎn)光電探測(cè)器上的光電流和暗電流曲線。

圖3 HgTe膠體量子點(diǎn)光電探測(cè)器的表征

最后，研究人員進(jìn)一步探索了載流子遷移率對(duì)響應(yīng)度和EQE的影響。圖4a展示了暗電流與溫度的函數(shù)關(guān)系，以提取熱載流子上的活化能。圖4b展示了VLWIR和LWIR膠體量子點(diǎn)光電探測(cè)器上的響應(yīng)度（紅色）以及純光電流與暗電流比（藍(lán)色）隨溫度的變化趨勢(shì)。

圖4 HgTe膠體量子點(diǎn)光電探測(cè)器的光電探測(cè)特性

綜上所述，這項(xiàng)研究探索了大尺寸HgTe膠體量子點(diǎn)及其在長(zhǎng)波紅外和甚長(zhǎng)波紅外波段的光探測(cè)性能。研究人員采用再生長(zhǎng)法合成了直徑達(dá)15.6 nm的大尺寸HgTe膠體量子點(diǎn)。對(duì)膠體量子點(diǎn)固體進(jìn)行I?處理可精確地將摻雜從強(qiáng)n型調(diào)節(jié)到近本征型，同時(shí)進(jìn)行表面鈍化以減少在環(huán)境中進(jìn)一步氧化。此外，混合相配體交換處理可以將載流子遷移率提高100倍，達(dá)到10 cm2/Vs，從而提高了載流子的傳輸效率。這些處理使得18 μm甚長(zhǎng)波紅外膠體量子點(diǎn)光電探測(cè)器在80 K時(shí)的響應(yīng)度達(dá)到0.3 A/W，比探測(cè)率達(dá)到6.6 × 10? Jones；10 μm長(zhǎng)波紅外膠體量子點(diǎn)光電探測(cè)器在80 K時(shí)的響應(yīng)度達(dá)到0.13 A/W，比探測(cè)率達(dá)到2.3 × 10? Jones。高遷移率甚長(zhǎng)波紅外膠體量子點(diǎn)光電導(dǎo)體的響應(yīng)度比低遷移率參考樣品高了670倍。同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)響應(yīng)度受到載流子漂移長(zhǎng)度與電極間隙的比值以及吸收系數(shù)的限制。這些研究結(jié)果還表明，適當(dāng)?shù)呐潴w修飾以獲得高遷移率和良好的載流子壽命，對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)光探測(cè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01436-y