北理工在室溫運行中波紅外探測器研究方面取得突破性進展

北京理工大學郝群教授團隊在室溫運行中波紅外探測器研究方面取得突破性的進展，相關論文于2023年1月發表于光學頂刊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，在醫學檢測、氣象遙感、航天探測等方面均具有重要價值。然而，該波段卻不能被人眼直接感知。紅外光電探測器運用光電技術，突破人類視覺障礙，以被動的方式探測物體所發出的紅外輻射。目前，中紅外光電探測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雜，并且其高性能需要斯特拉制冷機等設備制冷，無法滿足輕量化、低成本需求。

膠體量子點作為新興紅外材料，化學熱注射法大規模合成易，“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”效應在三維尺度限制了熱激發載流子的產生，有望實現非制冷、低成本、高性能的中波紅外探測器。然而，目前膠體量子點并且異質結設計導致的界面傳輸和能帶不匹配，使探測器依然必須在液氮（80K）溫度下才能達到背景限，理論預測的室溫運行依然遙遠。

量子點表面偶極子調控過程

郝群教授團隊創新性的提出量子點表面偶極子摻雜方法，開發混相配體交換技術，首次在紅外量子點領域提出并制備了“強P-弱P-本征-弱N-強N”梯度堆疊同質結器件。該新型器件：

1. 工作溫度優。通過大幅優化內建電場，使量子點中波紅外探測器的“背景限”工作溫度提升了百開爾文，成功實現了室溫運行。

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

3. 探測性能高。梯度同質結器件結構，避免了界面輸運不匹配導致的光生載流子損耗，優化了光生載流子的傳輸與收集過程。

量子點梯度同質結器件與能帶示意圖

該工作極大提升了中波紅外探測器的工作溫度，中波4-5微米探測器在200K下，比探測高于1011Jones，性能達到背景限制；280K下，仍能保持101?比探測率。梯度同質結量子點探測器的外量子效率相比常規量子點探測器提升近1個量級，達到77%。本工作同時驗證了探測器的熱成像及氣體檢測等實際應用功能。

該論文的第一作者為北京理工大學博士生薛曉夢、陳夢璐準聘教授，通訊作者為北京理工大學陳夢璐準聘教授、唐鑫教授及郝群教授。

審核編輯：劉清