Nature Nanotechnology：超高增益胶体量子点红外光电探测器

一、【科学背景】

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（IRPDs）已成为连接人机界面的关键。传统IRPDs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（CQDs）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CQD基IRPDs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CQD基IRPDs的探测能力。

二、【创新成果】

基于此，韩国科学技术院Min-Ho Lee教授和Jung-Yong Lee教授在Nature Nanotechnology发表了题为“Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors”的论文，提出了一种动能泵浦雪崩倍增的新型CQD基IRPDs的开创性架构。通过向厚CQD层（>540nm）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CQD基IRPDs在940nm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。 

图1  CQD基IRPDs的增加机制评估 © 2024 Springer Nature

图2  硫醇配体的CQD固体的表征 © 2024 Springer Nature

图3  巯基处理CQDs的DFT计算 © 2024 Springer Nature

图4  940nm光源下CQD基IRPDs器件性能 © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

本研究首次提出了一种基于动能泵浦雪崩倍增的CQD基IRPDs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CQD基IRPDs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。

原文详情：Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors (Nature Nanotechnology 2024, DOI: 10.1038/s41565-024-01831-x)

本文由大兵哥供稿。