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北理工光电学院郝群教授团队在带内跃迁中波红外光电探测方面取得突破性进展

供稿:光电学院 编辑:盛筠 审核:黄勇 发布日期:2022-07-18

北京理工大学光电学院郝群教授团队成员陈梦璐准聘教授、唐鑫教授在《ACS NANO》期刊上发表了题为“Mid-Infrared Intraband Photodetector via High Carrier Mobility HgSe Colloidal Quantum Dots”的文章,利用低成本胶体量子点导带中1Se到1Pe的能级跃迁,实现低成本中波红外带内跃迁探测。

红外材料和器件的研究是红外技术发展的核心,实现低成本高性能的红外探测器是该领域的未来发展方向。然而由于光电效应限制,红外材料受限于窄带半导体材料。利用材料的带内跃迁可以突破红外光电材料对带隙的限制,极大拓宽红外材料的选择范围、丰富红外材料的制备方法,是降低红外材料于器件成本的有效路径之一。该工作利用胶体量子点液相合成与加工的优势,开发了室温混相配体交换的方法,在量子限域效应下实现高载流子迁移率(~1 cm2/Vs)及导带内掺杂的精确调控,使带内跃迁中红外光电探测器在响应速度上提升1000倍(达到数微秒量级),响应度提升55倍.在黑体辐射下,中波5微米比探测率大于1.7×109 Jones,首次获得了基于带内跃迁胶体量子点红外相机的热成像,并实现了探测精度0.25 ppm至2000 ppm的CO2气体传感器。

图1 带内跃迁量子点混相配体交换过程及表征

图2 HgSe胶体量子点光谱精细结构


带内跃迁红外材料体系,对掺杂精确调控和载流子输运控制提出了更高的要求。该工作开发了带内跃迁胶体量子点混相配体交换方法(图1),可以有效减小量子点之间的间距,实现表面偶极子掺杂精确调控,并且使得材料在空气环境下稳定。并且搭建了光谱电化学平台(图2),获得精确的HgSe胶体量子点能带结构,证明材料中无明显缺陷态。

图3 光导型探测器表征

图4 气体检测


由此制备而成了胶体量子点带内跃迁红外相机,并成功实现热成像(图3)。与低迁移率的带内跃迁胶体量子点探测器相比,该探测器响应度提升了55倍,比探测率提升了10倍至1.7×109 Jones。并且可以实现数微秒的快速响应(图4)。其中波窄带探测、响应速度快的特点,可以实现对温室气体的灵敏探测。以CO2为例,结合迈克尔逊干涉仪, 本文成功结合实现了探测精度0.25 ppm至2000 ppm的CO2气体传感器。

随着近年来人工智能、自动驾驶、智慧城市、智慧农业等领域的快速发展,各领域对红外信息的需求不断增长。该成果利用胶体量子点低成本、液相加工的优势,提出利用带内跃迁进行红外探测器这一新概念,并首次实现了具有实用价值的带内跃迁中波红外光电探测器,验证了其红外相机、高灵敏温室气体检测等功能,对低成本、高性能的红外探测器发展起到了重要推进作用。


作者简介:

郝群:北京理工大学特聘教授、光电学院院长。1998年于清华大学获工学博士学位,2003年破格提升为教授,2004年聘为博导,1999-2001兼任日本东京大学客座研究员,2011兼任美国Case Western Reserve University讲座教授。万人计划科技创新领军人才,高校创新引智基地负责人,科技部重点领域创新团队负责人,教育部跨世纪优秀人才,北京市教学名师,全国“巾帼建功”标兵。长期在新型光电成像传感技术和光电精密测试技术领域从事教学和科研工作,主要研究方向包括新型光电成像技术、仿生光电感测技术、抗振干涉测量技术及仪器等方面。主持过多项国家级项目,包括国家自然科学基金仪器专项/重点项目、科技部重点研发计划、基础加强计划项目、GF基础科研重大/重点项目、国家863项目等。担任中国光学学会常务理事、光电专业委员会主任委员,中国仪器仪表学会常务理事、光机电技术与系统集成分会常务副理事长,中国计量测试学会常务理事,中国兵工理事、光学专业委员会主任委员,中国光学光电子协会理事、红外分会副理事长等社会兼职。担任《Defense Technology》杂志副主编。


陈梦璐,北京理工大学光电学院准聘教授,博士生导师。入选2021年度国家级青年人才计划(海外)、中国科协“青年人才托举工程”、北京市“科技新星”等支持计划。2015年毕业于中国科学技术大学少年班学院获理学学士,2020年毕业于美国芝加哥大学物理系获博士学位。长期从事胶体量子点红外光电探测与成像研究工作,在红外量子点输运物性优化、室温运行高性能中波红外探测器、带内跃迁窄带红外探测等方面获得突破性成果,在Nature Materials、ACS Nano等SCI杂志上发表学术论文20余篇。


唐鑫,北京理工大学光电学院教授,博士生导师。入选2019年度国家海外高层级人才引进计划青年项目,中国科协“青年人才托举工程”等支持计划。长期从事新型胶体量子点红外探测器及焦平面阵列的研究及系统开发工作,波段涵盖短波、中波以及长波等多个重要红外大气窗口。相关成果以第一作者/通讯作者发表于Nature Photonics、Advanced Materials、ACS Nano等期刊上。现主持国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划青年科学家项目等项目多项。


原文链接:

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c03631