紅外成像技術最開始起源于軍用，后來逐漸轉飛入尋常百姓家，在機器視覺、安防和生物成像等新興領域大有用途，目前電子消費品領域廣泛使用了該技術，尤其是手機夜間拍攝。
傳統紅外成像儀由光電探測器+硅基讀出集成電路組成，這兩部分互聯時需要復雜且苛刻的工藝，導致成本大、大規模生產困難，要想在智能手機等消費電子產品中使用，就得探索低成本的新材料、新方法、新工藝。
2022年6月16日，華中科技大學唐江教授團隊在Nature Electronics 期刊上發表文章：A near-infrared colloidal quantum dot imager with monolithically integrated readout circuitry。
這個工作除了華科團隊，還受到了海思（華為）公司的支持。如下圖，他們制備出了國內首款硫化鉛膠體量子點紅外成像芯片。
這個工作采用了溶液可制備的PbS膠體量子點做為紅外光的響應材料，這和商用的InGaAs、InSb、HgCdTe光電探測器相比制備更加簡單、成本低、且帶隙可調，下圖中的PbS量子點光譜響應范圍為400-1300 nm。
難題：傳統的PbS量子點器件是從底部入射光，這種器件結構不適配硅基讀出集成電路，因為其耗盡區遠離入射光，導致器件外量子效率低。
解決：為了實現頂部入射光的有效吸收和信號采集，設計出了下圖紅外成像儀結構：將光敏量子點紅外器件直接集成到讀出集成電路上，頂部采用透明導電氧化物，這樣還避免了繁瑣的互聯工藝。通過模擬和實驗優化，使得耗盡區靠近入射光，提高載流子的分離與收集效率，從而提升器件性能。
問題：上述頂部入射的量子點光電二極管性能較差，這可能是由于在頂部沉積高質量的透明電極時，容易破壞底部脆弱的量子點層。
解決：由于在ZnO濺射過程中會破壞PbS活性層，作者引入 C60界面鈍化層來降低界面缺陷，經過對C60層的精心優化，NiOx/PbS/C60/ZnO光電二極管顯示出良好的光響應，缺陷濃度降低至2.3×1016?cm?3。該量子點光電探測器室溫探測率為2.1×1012Jones，外量子效率為63%，-3dB帶寬為140kHz，線性動態范圍超過100dB。
基于上述最優器件，創建了大型近紅外成像儀（640×512像素），其空間分辨率為40 lp/mm，調制傳遞函數為50%，具有可與商用 InGaAs 成像芯片媲美的效果。
如下圖，拍攝蘋果，發現PbS成像儀捕捉紅外圖像的能力彌補了硅成像儀難以識別的額外信息；與商用InGaAs相比，PbS紅外成像儀在靜脈邊緣的灰度變化更明顯、更清晰，在靜脈成像方面顯示出更大的應用潛力；PbS紅外成像儀在水和乙醇的鑒別方面優于InGaAs成像儀。
這個工作開創了國內量子點紅外成像芯片的先河，量子點波長可調，可以做出波長可調的紅外探測芯片，未來大有可為！
唐江，華中科技大學武漢光電國家研究中心教授，博士生導師，光學與電子信息學院院長，科睿唯安高被引作者。一直從事新型光電轉換材料與器件研究，發表學術論文200余篇，其中以第一或者通訊作者身份發表Nature 1篇，Nature Photonics 3篇，Nature Materials 和Nature Energy 各1篇，被引用25000余次；授權中國發明專利30余項。目前的主要研究方向是量子點紅外探測芯片、鹵素鈣鈦礦X射線探測器、鹵素鈣鈦礦發光材料與器件、硒化銻薄膜太陽能電池，每個方向都碩果累累！
1.?https://doi.org/10.1038/s41928-022-00779-x
2.?https://mp.weixin.qq.com/s/UMNyGUWC9sLma86QaRicjg
3. http://tfsc.wnlo.hust.edu.cn/info/1041/1063.htm
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