随着第四次工业革命的到来，人与机器之间的无缝互联和通信受到重视。高灵敏度红外光电探测器（IRPD）已成为连接人机界面的关键。传统IRPD依赖硅、锗及III-V族化合物材料，制造过程复杂且成本高昂。胶体量子点（CQD）具有高探测率和低成本的优点，是红外光电探测器的理想材料。然而，由于电子的非相干跳跃，典型的基于CQD的IRPD的载流子迁移率比晶体半导体低10⁴ -10⁶倍。此外，CQD表面上的悬挂键会导致电荷复合并阻碍有效的电荷提取，进一步限制了其性能表现。虽然目前已有其他策略部分改善了CQD性能，但其低带隙特性仍易受热噪声影响，限制了基于CQD的IRPD的探测能力。
据麦姆斯咨询报道，韩国科学技术院（KAIST）与韩国陶瓷工程技术研究所（KICET）组成的研究团队提出了一种动能泵浦雪崩倍增的新型基于CQD的IRPD的开创性架构。通过向厚CQD层（>540 nm）施加强电场，电子获得了超过CQD材料带隙的动能，从而实现动能泵浦电荷倍增。通过平衡碰撞电离和电子跳跃，将CQD点间距离优化到约4.1 nm，可以显著提高性能。研究人优化的基于CQD的IRPD在940 nm处实现了最大增益85倍和1.4×10¹⁴ Jones的峰值探测率。这种架构为单光子探测和超高探测率应用提供了新的方向。这项研究成果以“Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors”为题发表在Nature Nanotechnology期刊上。
为了研究通过电动泵浦启动电荷倍增的先决条件，研究人员首先探究了CQD层厚度的影响。通常，足够厚的CQD层对于获得冲击电离所需的动能至关重要。图1展示了基于CQD的IRPD结构示意图（左）和TEM横截面（右）。
图1 基于CQD的IRPD中倍增机制的评估
其次，研究人员分析了四种不同碳链长度的巯基配体CQD固体，以证明点对点距离（dDtoD）与载流子动力学之间的关系。巯基配体CQD固体的表征如图2所示。
图2 巯基配体CQD固体的表征
接着，研究人员建立了密度泛函理论（DFT）模型，以便了解不同dDtoD值的CQD之间的电荷输运和倍增动力学，相关结果如图3所示。
图3 巯基处理CQD的DFT计算
最后，研究人员通过瞬态光电流（TPC）测量揭示了较短的dDtoD值对基于CQD的IRPD内电荷输运的有益影响，相关结果如图4a所示。这些发现强调了dDtoD跃迁和影响这些光电器件中电荷输运和复合过程的各种参数之间复杂的相互依赖关系。在电荷倍增之前，优化电荷输运特性可以显著降低噪声电流，提高基于CQD的IRPD的探测性，相关结果如图4b所示。
图4 940 nm红外光源下基于CQD的IRPD器件性能
综上所述，这项研究首次提出了一种基于动能泵浦雪崩倍增的基于CQD的IRPD架构。通过在厚度超过540 nm的CQD层中施加强电场，使电子获得超过CQD材料带隙的动能，从而引发动能驱动的电荷倍增。研究表明，点间距离的优化对电荷倍增和电子跳跃之间的平衡至关重要。通过将CQD点间距离调整至约4.1 nm，不仅降低了电荷倍增的阈能，还有效抑制了CQD聚集引起的器件退化，从而显著提升了器件的稳定性和探测性能。优化后的CQD红外光电探测器在940 nm波长下实现了最大电荷倍增增益85倍、1.4 × 10¹⁴ Jones的峰值探测率以及1.1 × 10⁶ Hz带宽。这种经济且具有电荷倍增能力的基于CQD的IRPD架构在一系列应用，特别是在需要高性能IRPD的新兴传感器中具有巨大的潜力。
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01831-x
延伸阅读：
《苹果在量子点光电传感器领域的发明专利与产业布局分析》
《量子点光电传感器专利态势分析-2024版》
《新兴图像传感器技术及市场-2024版》
《汽车红外摄像头技术及市场-2024版》
《光谱成像市场和趋势-2022版》
《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》
《量子点材料技术及市场-2023版》
随着第四次工业革命的到来，人与机器之间的无缝互联和通信受到重视。高灵敏度红外光电探测器（IRPD）已成为连接人机界面的关键。传统IRPD依赖硅、锗及III-V族化合物材料，制造过程复杂且成本高昂。胶体量子点（CQD）具有高探测率和低成本的优点，是红外光电探测器的理想材料。然而，由于电子的非相干跳跃，典型的基于CQD的IRPD的载流子迁移率比晶体半导体低10⁴ -10⁶倍。此外，CQD表面上的悬挂键会导致电荷复合并阻碍有效的电荷提取，进一步限制了其性能表现。虽然目前已有其他策略部分改善了CQD性能，但其低带隙特性仍易受热噪声影响，限制了基于CQD的IRPD的探测能力。
据麦姆斯咨询报道，韩国科学技术院（KAIST）与韩国陶瓷工程技术研究所（KICET）组成的研究团队提出了一种动能泵浦雪崩倍增的新型基于CQD的IRPD的开创性架构。通过向厚CQD层（>540 nm）施加强电场，电子获得了超过CQD材料带隙的动能，从而实现动能泵浦电荷倍增。通过平衡碰撞电离和电子跳跃，将CQD点间距离优化到约4.1 nm，可以显著提高性能。研究人优化的基于CQD的IRPD在940 nm处实现了最大增益85倍和1.4×10¹⁴ Jones的峰值探测率。这种架构为单光子探测和超高探测率应用提供了新的方向。这项研究成果以“Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors”为题发表在Nature Nanotechnology期刊上。
为了研究通过电动泵浦启动电荷倍增的先决条件，研究人员首先探究了CQD层厚度的影响。通常，足够厚的CQD层对于获得冲击电离所需的动能至关重要。图1展示了基于CQD的IRPD结构示意图（左）和TEM横截面（右）。
图1 基于CQD的IRPD中倍增机制的评估
其次，研究人员分析了四种不同碳链长度的巯基配体CQD固体，以证明点对点距离（dDtoD）与载流子动力学之间的关系。巯基配体CQD固体的表征如图2所示。
图2 巯基配体CQD固体的表征
接着，研究人员建立了密度泛函理论（DFT）模型，以便了解不同dDtoD值的CQD之间的电荷输运和倍增动力学，相关结果如图3所示。
图3 巯基处理CQD的DFT计算
最后，研究人员通过瞬态光电流（TPC）测量揭示了较短的dDtoD值对基于CQD的IRPD内电荷输运的有益影响，相关结果如图4a所示。这些发现强调了dDtoD跃迁和影响这些光电器件中电荷输运和复合过程的各种参数之间复杂的相互依赖关系。在电荷倍增之前，优化电荷输运特性可以显著降低噪声电流，提高基于CQD的IRPD的探测性，相关结果如图4b所示。
图4 940 nm红外光源下基于CQD的IRPD器件性能
综上所述，这项研究首次提出了一种基于动能泵浦雪崩倍增的基于CQD的IRPD架构。通过在厚度超过540 nm的CQD层中施加强电场，使电子获得超过CQD材料带隙的动能，从而引发动能驱动的电荷倍增。研究表明，点间距离的优化对电荷倍增和电子跳跃之间的平衡至关重要。通过将CQD点间距离调整至约4.1 nm，不仅降低了电荷倍增的阈能，还有效抑制了CQD聚集引起的器件退化，从而显著提升了器件的稳定性和探测性能。优化后的CQD红外光电探测器在940 nm波长下实现了最大电荷倍增增益85倍、1.4 × 10¹⁴ Jones的峰值探测率以及1.1 × 10⁶ Hz带宽。这种经济且具有电荷倍增能力的基于CQD的IRPD架构在一系列应用，特别是在需要高性能IRPD的新兴传感器中具有巨大的潜力。
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01831-x
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