一种用于长距离的低成本量子点红外光电探测器

2020年2月14日 15:59:12 来源: 中国光学期刊
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  来自西班牙的一个研究小组开发了一种低成本的胶体量子点光电探测器,该探测器能够感应长波红外(IR),并有可能取代目前可用的,更昂贵的红外光电探测器(Nano Lett。,doi:10.1021 / acs .nanolett.9b04130)。研究人员称,这项新技术填补了光电检测光谱中的现有空白,并且可能对诸如环境监测,食品检查和气体分析等应用具有潜在应用。

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手持微型传感器芯片中红外光电探测器由胶体量子点组成,涂在带有金触点的透明基板上。

  寻找更低成本的替代品

  到目前为止,光电探测器技术还并不系统,硅光电探测器可用于可见/近红外范围,InGaAs光电探测器可用于短波红外区域。尽管确实存在可同时用于中波和长波IR的设备(例如CdHgTe或更特殊的检测器),但它们往往价格昂贵,制造复杂且与CMOS不兼容。

  为了寻求更便宜的替代方法,ICFO –光子科学研究所的Gerasimos Konstantatos等希望创建带有胶体量子点(QD)的中长波红外光电探测器。特别地,他们决定专注于硫属元素铅(PbS)胶体QD,因为较早的研究表明该材料在溶液导带内具有稳态带内吸收。

  “ PbS量子点在短波红外领域与InGaAs竞争的潜力,具有非常好的性能和极低的成本。此外,它们还与CMOS电子产品兼容。”作者Konstantatos说, “因此,我们希望将该材料平台的光谱范围扩展到中波和长波红外,以便我们最终拥有一个单一的材料平台,同时兼具廉价和兼容CMOS的产品。”

  利用带内跃迁

  研究人员找到了一种创新的方法来解决胶体量子点带隙中的基本限制。传统上,光谱覆盖范围由半导体化合物的体带隙确定。相反,Konstantatos和他的同事们利用带内跃迁而不是带间跃迁,这意味着能量低于带隙的光子可以用来将电子激发到更高的能态。在量子点的胶体合成之后,研究小组进行了配体交换程序,将暴露的硫原子替换为碘原子。此步骤之后是用氧化铝填充并封盖它们,从而产生了重掺杂的量子点。

  扩大光谱范围

  实验表明,带内吸收和光电检测范围为5至9 µm,这首次打破了PbS胶体QD的带隙极限。结果还表明,带内跃迁随着量子点大小的增加而红移。研究人员认为该技术有望的进一步发展,实现低成本的红外多光谱成像系统。

  Konstantatos说:“据我们所知,这是首次在这种材料中实现稳定的电子重掺杂,从而实现了带内PbS量子点光电探测器。我们的研究目前仅限于概念证明,PbS量子点光电探测器的性能仍然不如目前广泛使用的技术,我们正在努力提高其竞争力。”