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，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1010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。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-022-01014-0
附作者簡介：
郝群，北京理工大學(xué)特聘教授。國家級(jí)高層次人才，高校創(chuàng)新引智基地負(fù)責(zé)人，科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，教育部跨世紀(jì)優(yōu)秀人才，北京市教學(xué)名師，全國“巾幗建功”標(biāo)兵。長期在新型光電成像傳感技術(shù)和光電精密測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域從事教學(xué)和科研工作，主要研究方向包括新型光電成像技術(shù)、仿生光電感測(cè)技術(shù)、抗振干涉測(cè)量技術(shù)及儀器等方面。主持國家自然科學(xué)基金儀器專項(xiàng)/重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等。擔(dān)任中國光學(xué)學(xué)會(huì)常務(wù)理事、光電專業(yè)委員會(huì)主任委員，中國儀器儀表學(xué)會(huì)常務(wù)理事、光機(jī)電技術(shù)與系統(tǒng)集成分會(huì)常務(wù)副理事長，中國計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國兵工學(xué)會(huì)理事、光學(xué)專業(yè)委員會(huì)主任委員，中國光學(xué)光電子協(xié)會(huì)理事、紅外分會(huì)副理事長等社會(huì)兼職。擔(dān)任《Defense Technology》雜志副主編。
(來源：北京理工大學(xué))
