利用碲化汞（HgTe）胶体量子点实现波长达18 μm的光探测

胶体量子点（CQD）凭借其具有高通量溶液加工能力以及紫外（UV）到红外（IR）波段的宽带隙可调谐性，因而在光电子器件中备受关注。有些研究者可能会质疑胶体量子点波长范围的上限。迄今为止，虽然胶体量子点的吸收波长已扩展至太赫兹（THz）波段，但实际的光探测波长仅限于中波红外（MWIR）。研究胶体量子点在更长波长的光响应挑战，将有助于揭示这些纳米材料的最终特性。更重要的是，这也激发了研究者对自下而上的红外光探测的兴趣，与外延生长的半导体块体材料相比，这种技术的成本才不到10%。

据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学光电学院郝群教授和陈梦璐准聘教授的科研团队开发了一种再生长方法并进行了离子掺杂修饰，利用碲化汞（HgTe）胶体量子点实现了波长达18 μm的光探测。在液氮温度下，18 μm和10 μm胶体量子点光电导体的响应度（R）分别达到0.3 A/W和0.13 A/W，比探测率（D*）分别达到6.6 × 10⁸ Jones和2.3 × 10⁹ Jones。这项研究是朝着探索“胶体量子点光探测波长限制”这一普遍问题所迈出的一步。相关研究成果以“Very long wave infrared quantum dot photodetector up to 18 μm”为主题发表在Light: Science & Applications期刊上。

为了合成大尺寸的HgTe胶体量子点，需使用过量的汞前驱体，其中汞离子（Hg²⁺）作为表面配体以获得良好的稳定性。在本研究中，汞与碲的比例为4:1。此外，研究人员开发了再生长方法，利用高活性的双三甲基硅基碲（TMSTe）快速成核，并逐滴添加低活性的三辛基碲化膦（TOPTe）来实现纳米晶体的再生长。

这项研究制备的长波红外（LWIR）和甚长波红外（VLWIR）HgTe胶体量子点的吸收光谱如图1a和图1b所示。图1c和图1d展示了透射电子显微镜（TEM）测定的长波红外和甚长波红外胶体量子点的形状和尺寸。量子点间距大大减小提高了胶体量子点的电子耦合和载流子传输效率。掺杂控制对高性能红外光探测来说至关重要。此外，图1e展示了本征长波红外和甚长波红外胶体量子点的光致发光，峰值分别为1025 cm⁻¹和1320 cm⁻¹。

图1 长波红外和甚长波红外HgTe胶体量子点的表征

随后，研究人员通过电化学和场效应晶体管（FET）测量进一步确定了胶体量子点的能量带隙图和传输特性。图2为碘（I₂）处理前后长波红外胶体量子点的典型传输特性表征。其中图2a至图2c展示了HgTe胶体量子点的能量带隙图、电化学示意图以及FET实验示意图。

图2 长波红外HgTe胶体量子点的传输特性表征

图3展示了长波红外和甚长波红外胶体量子点光电导体。其中，图3a至图3c分别为光电探测器实物图、电极以及扫描电镜（SEM）截面图。图3d显示了通过步进器测量的光电探测器厚度，以及利用原子力显微镜（AFM）绘制的表面粗糙度图。图3e和图3f分别显示了长波红外和甚长波红外胶体量子点光电探测器上的光电流和暗电流曲线。

图3 HgTe胶体量子点光电探测器的表征

最后，研究人员进一步探索了载流子迁移率对响应度和EQE的影响。图4a展示了暗电流与温度的函数关系，以提取热载流子上的活化能。图4b展示了VLWIR和LWIR胶体量子点光电探测器上的响应度（红色）以及纯光电流与暗电流比（蓝色）随温度的变化趋势。

图4 HgTe胶体量子点光电探测器的光电探测特性

综上所述，这项研究探索了大尺寸HgTe胶体量子点及其在长波红外和甚长波红外波段的光探测性能。研究人员采用再生长法合成了直径达15.6 nm的大尺寸HgTe胶体量子点。对胶体量子点固体进行I₂处理可精确地将掺杂从强n型调节到近本征型，同时进行表面钝化以减少在环境中进一步氧化。此外，混合相配体交换处理可以将载流子迁移率提高100倍，达到10 cm²/Vs，从而提高了载流子的传输效率。这些处理使得18 μm甚长波红外胶体量子点光电探测器在80 K时的响应度达到0.3 A/W，比探测率达到6.6 × 10⁸ Jones；10 μm长波红外胶体量子点光电探测器在80 K时的响应度达到0.13 A/W，比探测率达到2.3 × 10⁹ Jones。高迁移率甚长波红外胶体量子点光电导体的响应度比低迁移率参考样品高了670倍。同时，研究人员发现响应度受到载流子漂移长度与电极间隙的比值以及吸收系数的限制。这些研究结果还表明，适当的配体修饰以获得高迁移率和良好的载流子寿命，对于长波长光探测来说至关重要。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01436-y

审核编辑：刘清