北理工在高热稳定性红外纳米复合材料光电探测器方面取得突破

红外光电探测器广泛应用于工业检测、环境监测、生物医学成像等领域。然而，其大规模应用却受限于传统窄带半导体较高的成本。胶体量子点化学合成低成本且涂敷工艺高产能的特性为新型红外探测器提供了思路。碲化汞量子点，由于在红外多波段可调以及较强的光响应的优势，尤其具有应用前景。然而，目前量子点的较弱的热稳定性及其载流子较低的传输效率，阻碍了其应用推广。相比之下，碳纳米管具有较高的载流子迁移率和热稳定性，但其红外波段几乎无光学响应。

据麦姆斯咨询报道，北京理工大学郝群教授团队的陈梦璐准聘教授提出了碲化汞胶体量子点与多壁碳纳米管耦合的方法，优化纳米复合材料界面连接配体，取两种材料之长开发出了兼具优异的光学和电学性能的纳米复合材料红外探测材料（如图1）。相关研究成果于2024年4月发表于中科院1区光学期刊APL Photonics上，并且已获批国家发明专利1项。

图1 碲化汞胶体量子点，碳纳米管以及二者耦合后的纳米复合材料的表征

该纳米复合材料红外探测材料在电学性能上，耦合后的纳米复合材料的载流子迁移率可达到34.6-54.1cm²/Vs，相比于对照组提高了约1000倍（如图2）。此外，基于纳米复合材料的红外探测器的响应度和比探测率均有显著提升（如图3），并有良好的热稳定性。

图2 不同比例碲化汞胶体量子点和碳纳米管耦合后的纳米复合材料的场效应晶体管传输特性曲线以及载流子迁移率对比

图3 耦合碳纳米管前后红外探测器的性能对比

研究团队通过温度梯度场效应管实验，明确了复合纳米材料中载流子强电学耦合机制。在此基础上，通过优化混相比例调控了复合材料的掺杂特性。另外，研究人员基于该纳米复合材料红外光电探测器，验证了单像素红外成像功能（如图4）。

图4 基于碲化汞胶体量子点/碳纳米管复合纳米材料的光导探测器的红外成像图

综上所述，这项研究开发了量子点与碳基材料耦合的方法，结合两种材料优势，突破了高光电响应特性纳米复合材料光电探测技术。该论文的第一作者为北京理工大学光电学院博士生薛晓梦、吕鸿宇，通讯作者为北京理工大学陈梦璐准聘教授。

原文链接：

https://doi.org/10.1063/5.0194631

审核编辑：刘清