研究背景
红外光电探测器（IRPDs）是实现人机界面无缝连接和通信的重要组件，随着第四次工业革命的到来，红外探测技术在安全、医疗、环境监测等领域的应用愈加广泛。然而，传统的红外光电探测器，如硅、锗及III-V族化合物材料，虽然具有优异的性能，但由于其制造过程中需要高温外延工艺，导致了成本较高和制造复杂度大等问题。为此，研究者们开始寻求成本更低且可实现解决方案的材料。胶体量子点（CQDs）因其优异的溶液加工性和易调带隙的特点，成为了红外光电探测器的理想候选材料。然而，传统CQD基红外探测器的载流子迁移率较低，且热噪声严重影响其在红外探测中的性能。为了解决这一问题，科学家们提出了通过调节CQD的尺寸、表面修饰等策略来提高其电学性能，但依然面临热噪声和电荷复合的挑战。 为了解决这一问题，韩国科学技术院Jung-Yong Lee课题组在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors”的最新论文。研究者提出利用动能泵浦雪崩倍增效应的方式来提升CQD基红外探测器的性能。通过施加强电场，CQD层中的电子能够获得超越带隙的动能，从而引发电荷倍增。这一新策略显著改善了探测器的性能，优化了点间距离以平衡电子跳跃与撞击电离的机制，达到了更高的探测增益和探测度。通过这些改进，CQD基红外探测器在红外波段中的表现大幅提升，展现出了在单光子探测和超高探测性应用中的巨大潜力。
研究亮点
图文解读
图1:基于胶体量子点CQD，红外光电探测器infrared photodetectors，IRPDs增殖机制评估。图3: 利用巯基thiol处理，胶体量子点CQDs的DFT计算。图4:在940nm红外光源下，基于胶体量子点CQD的红外光电探测器IRPD器件性能。
结论展望
本文的研究为量子点（CQD）基红外光电探测器（IRPD）提供了一种创新的电动泵浦电荷倍增架构，从而显著提升了探测器的检测能力。研究表明，CQD层的厚度超过540纳米是实现电荷倍增和抑制噪声电流的关键，这一发现对于开发高性能的IRPD具有重要意义。通过对不同硫醇配体的应用，研究展示了CQD器件在增强电荷倍增的同时，如何通过优化CQD间的距离和电子跳跃概率，实现卓越的检测灵敏度和响应速度。研究还表明，CQD器件的高动态范围和快速响应能力，使其在需要高灵敏度和快速反应的传感器应用中具有广泛的应用前景。此外，本文通过理论计算和实验验证，揭示了影响CQD器件性能的关键因素，如硫醇配体的碳链长度和Pb–O键的变化，为未来设计更加高效的CQD基红外探测器提供了宝贵的指导。这些结果不仅为新型传感器技术的发展奠定了基础，也为进一步优化纳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
