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左側(cè)是碲化銀（Ag₂Te）膠體量子點(diǎn)短波紅外（SWIR）光電二極管，右側(cè)是通過(guò)溶液處理的碲化銀量子點(diǎn)。圖片來(lái)源：Jordi Cortés，ICFO

短波紅外（SWIR）頻率范圍具有非常獨(dú)特的特性，使其成為多種應(yīng)用的理想選擇，例如受大氣散射的影響較小，并且對(duì)人眼 “安全”。這些應(yīng)用包括激光探測(cè)與測(cè)距（LIDAR），一種使用激光確定范圍和距離的方法、空間定位和繪圖、用于監(jiān)視和汽車(chē)安全的惡劣天氣成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)等等。

然而，目前短波紅外光主要局限于科學(xué)儀器和軍事用途等小眾領(lǐng)域，主要原因是短波紅外光電探測(cè)器依賴(lài)于昂貴且難以制造的材料。在過(guò)去幾年中，膠體量子點(diǎn) —— 通過(guò)溶液處理的半導(dǎo)體納米晶體 —— 已成為主流消費(fèi)電子產(chǎn)品的一種替代選擇。

雖然通常使用有毒重金屬（如鉛或汞）來(lái)制造量子點(diǎn)，但量子點(diǎn)也可以使用環(huán)保材料，如碲化銀（Ag₂Te）來(lái)制造。實(shí)際上，碲化銀膠體量子點(diǎn)的器件性能與那些含有有毒重金屬的量子點(diǎn)相當(dāng)。但它們?nèi)蕴幱谄鸩诫A段，在實(shí)際應(yīng)用之前，還必須解決幾個(gè)挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，由加泰羅尼亞高等研究院（ICREA）教授 Gerasimos Konstantatos 領(lǐng)導(dǎo)的 ICFO 研究人員王勇杰博士、吳昊、Carmelita Rodà 博士、彭鹿城博士、Nima Taghipour 博士和 Miguel Dosil，展示了一種制造碲化銀膠體量子點(diǎn)的新方法，解決了這些挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了首個(gè)使用無(wú)毒材料制成的膠體量子點(diǎn)的短波紅外激光雷達(dá)概念驗(yàn)證，成功地以分米級(jí)分辨率測(cè)量了超過(guò) 10 米的距離。

這項(xiàng)發(fā)表在《先進(jìn)材料》上的研究，標(biāo)志著向面向消費(fèi)和汽車(chē)市場(chǎng)的實(shí)用、經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的激光雷達(dá)系統(tǒng)邁出了關(guān)鍵一步。

克服用于短波紅外光探測(cè)的無(wú)毒膠體量子點(diǎn)的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)上，碲化銀膠體量子點(diǎn)面臨三個(gè)挑戰(zhàn)：高暗電流、有限的線性動(dòng)態(tài)范圍和響應(yīng)速度。

暗電流是即使在沒(méi)有光的情況下也會(huì)流過(guò)光電探測(cè)器的小電流。高暗電流會(huì)增加噪聲，限制對(duì)弱信號(hào)的靈敏度。

吳昊在 ICFO 的實(shí)驗(yàn)室工作。圖片來(lái)源：Jordi Cortés，ICFO

對(duì)于激光雷達(dá)應(yīng)用，這最終限制了檢測(cè)遠(yuǎn)處物體的能力，因?yàn)榫嚯x越遠(yuǎn)或大氣干擾越大，信號(hào)衰減就越嚴(yán)重。線性動(dòng)態(tài)范圍是指最小和最大可檢測(cè)光強(qiáng)度之間的范圍。范圍越寬，短波紅外探測(cè)器能夠感知和可視化的場(chǎng)景對(duì)比度就越高。

最后，光電探測(cè)器的響應(yīng)速度衡量的是它對(duì)入射光強(qiáng)度變化的反應(yīng)速度。快速響應(yīng)有助于準(zhǔn)確的距離測(cè)量和光通信等應(yīng)用。

與僅僅一年前他們自己在《自然・光子學(xué)》上報(bào)道的記錄相比，ICFO 的研究人員大幅改進(jìn)了這三個(gè)性能。具體來(lái)說(shuō)，他們實(shí)現(xiàn)了小于 500nA/cm² 的暗電流密度、在 1400 納米處 30% 的外量子效率、超過(guò) 150dB 的線性動(dòng)態(tài)范圍以及快至 25 納秒的時(shí)間響應(yīng)。

這些成功的結(jié)果促使他們首次使用符合《限制有害物質(zhì)指令》的材料制成的膠體量子點(diǎn)，構(gòu)建了一個(gè)短波紅外激光雷達(dá)概念驗(yàn)證裝置。該裝置以分米級(jí)分辨率測(cè)量了超過(guò) 10 米的距離，展示了碲化銀膠體量子點(diǎn)在激光雷達(dá)應(yīng)用中的巨大潛力。

“在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，我們沒(méi)想到最終的器件性能會(huì)有如此顯著的飛躍，” 該論文的第一共同作者王勇杰博士回憶道。該團(tuán)隊(duì)從優(yōu)化量子點(diǎn)的合成開(kāi)始，以消除往往會(huì)降低效率的表面缺陷。然而，僅靠這一策略是不夠的。

“最初，器件性能并不十分令人滿(mǎn)意。直到我們對(duì)量子點(diǎn)薄膜進(jìn)行了硝酸銀后處理，才看到了重大改進(jìn)，這表明這種優(yōu)化方法很有前景，” 這位研究人員補(bǔ)充道。

所提出的工程策略利用了膠體量子點(diǎn)的成本效益和制造優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)了短波紅外光電器件的發(fā)展，同時(shí)大大提高了它們作為環(huán)保替代品的性能。未來(lái)的研究將集中在實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)時(shí)間、更高的量子效率以及在現(xiàn)實(shí)的溫度和濕度條件下更可靠的運(yùn)行。

包括本研究在內(nèi)的這些進(jìn)展，將使我們更接近最終目標(biāo)：在消費(fèi)電子產(chǎn)品中廣泛采用短波紅外光。

更多信息：王勇杰等人，《使用碲化銀量子點(diǎn)的短波紅外光探測(cè)與測(cè)距》，《先進(jìn)材料》（2025 年）。DOI：10.1002/adma.202500977

期刊信息：《自然・光子學(xué)》，《先進(jìn)材料》

由光子科學(xué)研究所（ICFO）提供