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研究背景

紅外光電探測器（IRPDs）是實現人機無縫交互的重要器件，因其在通信、安防、醫療等領域的廣泛應用而成為研究熱點。然而，傳統IRPDs依賴硅、鍺及III-V族化合物材料，這些材料需通過高溫外延工藝精確調控成分，導致制造過程復雜且成本高昂。此外，傳統IRPDs在性能提升方面也受到材料本身帶隙和熱噪聲等因素的限制。

膠體量子點（CQDs）因其可溶液加工性和便捷的帶隙調控性，為解決上述問題提供了新思路。然而，CQDs的電荷傳輸效率較低，載流子遷移率比晶體半導體低10^4到10^6倍，同時CQD表面的懸掛鍵導致電荷復合和提取效率下降，進一步限制了其性能表現。雖然已有研究通過引入鹵化物或硫醇配體和優化CQD墨水配方等方法部分改善了CQD性能，但其低帶隙特性仍易受熱噪聲影響，限制了IRPD的探測能力。

成果簡介

有鑒于此，韓國科學技術院Byeongsu Kim，Jung-Yong Lee等人在Nature Nanotechnology期刊上發表了題為“Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors”的最新論文。

科學家提出了一種基于動能泵浦雪崩倍增的新型CQD基IRPD架構。通過在厚度超過540?nm的CQD層中施加強電場，電子獲得動能并實現動能泵浦電荷倍增。研究表明，優化CQD點間距離至約4.1?nm，可以有效平衡撞擊電離與電子跳躍，從而顯著提升器件性能。經優化的CQD基IRPD實現了最大增益85倍和峰值探測度1.4?×?10^14?Jones，為高探測性和單光子探測領域提供了新的技術路徑。

研究亮點

1. 本研究首次提出了一種基于動能泵浦雪崩倍增的膠體量子點（CQD）紅外光電探測器架構。通過在厚度超過540?nm的CQD層中施加強電場，使電子獲得超過CQD材料帶隙的動能，從而引發動能驅動的電荷倍增。這一創新性設計實現了光誘導電荷倍增的高效利用，突破了傳統CQD紅外探測器在熱噪聲下性能受限的瓶頸。

2. 研究表明，點間距離（dDtoD）的優化對電荷倍增和電子跳躍之間的平衡至關重要。通過將點間距離調整至約4.1?nm，不僅降低了電荷倍增的閾能，還有效抑制了CQD聚集引起的器件退化，從而顯著提升了器件的穩定性和探測性能。

3. 優化后的CQD紅外光電探測器在940?nm波長下實現了最大電荷倍增增益85倍、峰值探測度1.4?×?10¹⁴?Jones以及帶寬1.1?×?10⁶?Hz。這些參數均顯著優于現有可溶液加工的紅外探測器，展現了其在單光子探測及超高探測性應用中的潛力。

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2:具有硫醇配體的膠體量子點CQD固體表征。

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

本文研究表明，通過電動勢驅動的電荷倍增機制，可以顯著提高CQD層的探測能力，尤其是在采用適當的配體處理后，能夠有效抑制電子隧穿噪聲和提升電荷倍增效應。

CQD層的厚度對電荷倍增有著至關重要的影響，研究強調了保持適當的CQD層厚度（超過540nm）對于優化探測器性能的重要性。研究還揭示了配體長度對CQD性能的影響，盡管較長的配體可以增強電荷倍增，但也可能影響電子跳躍的概率，進一步揭示了CQD層的結構與性能之間復雜的關系。

此外，研究通過結合DFT計算和Poole-Frenkel模型，深入分析了電荷倍增的機理，這為進一步理解和設計高性能CQD基器件提供了理論基礎。總之，本研究為高效紅外探測器的設計提供了新的思路，特別是在配體優化、電荷倍增和噪聲抑制方面。

文獻信息

Kim, B., Lee, S.Y., Ko, H. et al. Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors. Nat. Nanotechnol. (2024).

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