北京理工大學(xué)郝群教授團(tuán)隊(duì)在室溫運(yùn)行中波紅外探測(cè)器研究方面取得突破性的進(jìn)展，相關(guān)論文于2023年1月發(fā)表于光學(xué)頂刊Light：Science & Applications，獲得封面論文。近日該論文入選ESI高被引。

中紅外波段是重要的大氣窗口，相比可見光波段提供額外的熱信息，在醫(yī)學(xué)檢測(cè)、氣象遙感、航天探測(cè)等方面均具有重要價(jià)值。然而，該波段卻不能被人眼直接感知。紅外光電探測(cè)器運(yùn)用光電技術(shù)，突破人類視覺障礙，以被動(dòng)的方式探測(cè)物體所發(fā)出的紅外輻射。目前，中紅外光電探測(cè)器主要基于外延生長材料，與讀出電路耦合的倒裝鍵合工藝復(fù)雜，并且其高性能需要斯特拉制冷機(jī)等設(shè)備制冷，無法滿足輕量化、低成本需求。

膠體量子點(diǎn)作為新興紅外材料，化學(xué)熱注射法大規(guī)模合成易，“墨水式”液相加工可以與讀出電路直接耦合，并且其“量子限域”效應(yīng)在三維尺度限制了熱激發(fā)載流子的產(chǎn)生，有望實(shí)現(xiàn)非制冷、低成本、高性能的中波紅外探測(cè)器。然而，目前膠體量子點(diǎn)并且異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的界面?zhèn)鬏敽湍軒Р黄ヅ?，使探測(cè)器依然必須在液氮（80K）溫度下才能達(dá)到背景限，理論預(yù)測(cè)的室溫運(yùn)行依然遙遠(yuǎn)。

量子點(diǎn)表面偶極子調(diào)控過程

郝群教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性的提出量子點(diǎn)表面偶極子摻雜方法，開發(fā)混相配體交換技術(shù)，首次在紅外量子點(diǎn)領(lǐng)域提出并制備了“強(qiáng)P-弱P-本征-弱N-強(qiáng)N”梯度堆疊同質(zhì)結(jié)器件。該新型器件：

1. 工作溫度優(yōu)。通過大幅優(yōu)化內(nèi)建電場(chǎng)，使量子點(diǎn)中波紅外探測(cè)器的“背景限”工作溫度提升了百開爾文，成功實(shí)現(xiàn)了室溫運(yùn)行。

2. 制備成本低。該紅外材料化學(xué)合成、液相涂敷硅基耦合、無需斯特林制冷，從材料、工藝、工作機(jī)理等各個(gè)層面降低成本至傳統(tǒng)紅外探測(cè)器的十分之一。

3. 探測(cè)性能高。梯度同質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)，避免了界面輸運(yùn)不匹配導(dǎo)致的光生載流子損耗，優(yōu)化了光生載流子的傳輸與收集過程。

量子點(diǎn)梯度同質(zhì)結(jié)器件與能帶示意圖

該工作極大提升了中波紅外探測(cè)器的工作溫度，中波4-5微米探測(cè)器在200K下，比探測(cè)高于1011Jones，性能達(dá)到背景限制；280K下，仍能保持101?比探測(cè)率。梯度同質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)探測(cè)器的外量子效率相比常規(guī)量子點(diǎn)探測(cè)器提升近1個(gè)量級(jí)，達(dá)到77%。本工作同時(shí)驗(yàn)證了探測(cè)器的熱成像及氣體檢測(cè)等實(shí)際應(yīng)用功能。

該論文的第一作者為北京理工大學(xué)博士生薛曉夢(mèng)、陳夢(mèng)璐準(zhǔn)聘教授，通訊作者為北京理工大學(xué)陳夢(mèng)璐準(zhǔn)聘教授、唐鑫教授及郝群教授。

審核編輯：劉清