研究背景
紅外光電探測器（IRPDs）是實現人機界面無縫連接和通信的重要組件，隨著第四次工業革命的到來，紅外探測技術在安全、醫療、環境監測等領域的應用愈加廣泛。然而，傳統的紅外光電探測器，如硅、鍺及III-V族化合物材料，雖然具有優異的性能，但由于其制造過程中需要高溫外延工藝，導致了成本較高和制造復雜度大等問題。為此，研究者們開始尋求成本更低且可實現解決方案的材料。膠體量子點（CQDs）因其優異的溶液加工性和易調帶隙的特點，成為了紅外光電探測器的理想候選材料。然而，傳統CQD基紅外探測器的載流子遷移率較低，且熱噪聲嚴重影響其在紅外探測中的性能。為了解決這一問題，科學家們提出了通過調節CQD的尺寸、表面修飾等策略來提高其電學性能，但依然面臨熱噪聲和電荷復合的挑戰。 為了解決這一問題，韓國科學技術院Jung-Yong Lee課題組在“Nature Nanotechnology”期刊上發表了題為“Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors”的最新論文。研究者提出利用動能泵浦雪崩倍增效應的方式來提升CQD基紅外探測器的性能。通過施加強電場，CQD層中的電子能夠獲得超越帶隙的動能，從而引發電荷倍增。這一新策略顯著改善了探測器的性能，優化了點間距離以平衡電子跳躍與撞擊電離的機制，達到了更高的探測增益和探測度。通過這些改進，CQD基紅外探測器在紅外波段中的表現大幅提升，展現出了在單光子探測和超高探測性應用中的巨大潛力。
研究亮點
圖文解讀
圖1:基于膠體量子點CQD，紅外光電探測器infrared photodetectors，IRPDs增殖機制評估。圖3: 利用巰基thiol處理，膠體量子點CQDs的DFT計算。圖4:在940nm紅外光源下，基于膠體量子點CQD的紅外光電探測器IRPD器件性能。
結論展望
本文的研究為量子點（CQD）基紅外光電探測器（IRPD）提供了一種創新的電動泵浦電荷倍增架構，從而顯著提升了探測器的檢測能力。研究表明，CQD層的厚度超過540納米是實現電荷倍增和抑制噪聲電流的關鍵，這一發現對于開發高性能的IRPD具有重要意義。通過對不同硫醇配體的應用，研究展示了CQD器件在增強電荷倍增的同時，如何通過優化CQD間的距離和電子跳躍概率，實現卓越的檢測靈敏度和響應速度。研究還表明，CQD器件的高動態范圍和快速響應能力，使其在需要高靈敏度和快速反應的傳感器應用中具有廣泛的應用前景。此外，本文通過理論計算和實驗驗證，揭示了影響CQD器件性能的關鍵因素，如硫醇配體的碳鏈長度和Pb–O鍵的變化，為未來設計更加高效的CQD基紅外探測器提供了寶貴的指導。這些結果不僅為新型傳感器技術的發展奠定了基礎，也為進一步優化納米材料器件性能提供了新的思路。 Kim, B., Lee, S.Y., Ko, H. et al. Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors. Nat. Nanotechnol. (2024).https://doi.org/10.1038/s41565-024-01831-x
