利用連續(xù)滴定工藝制備一種高品質(zhì)HgTe量子點短波紅外探測器

碲化汞（HgTe）納米晶體具有可調(diào)諧紅外吸收光譜、溶液可加工性、低制造成本以及易與硅基電路集成等特點。這為新一代低成本紅外探測技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。盡管目前已在合成規(guī)模化基可控性方面取得巨大進步，但對于高品質(zhì)HgTe量子點而言仍然存在挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)高品質(zhì)HgTe量子點的可控、規(guī)?；圃旃に嚲哂兄匾难芯亢蛻?yīng)用價值。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，由華中科技大學組成的科研團隊在Small Methods期刊上發(fā)表了以“Short-Wave Infrared Detection and Imaging Employing Size-Customized HgTe Nanocrystals”為主題的文章。該論文的第一作者為Binbin Wang，通訊作者為藍新正教授。

研究人員利用HgTe量子點高臨界成核濃度的特點，提出了一種連續(xù)滴定（CD）添加陰離子前驅(qū)體的的方法。緩慢的反應(yīng)動力學能夠?qū)崿F(xiàn)HgTe量子點的尺寸定制合成，使HgTe量子點具有尖銳的激子帶尾態(tài)特性和寬吸收范圍（完全覆蓋短波紅外至中波紅外波段）。更重要的是，連續(xù)滴定工藝的內(nèi)在優(yōu)勢確保了在不影響激子特性情況下，HgTe量子點的高均勻性及放大合成。與傳統(tǒng)快速熱注入法相比，這種連續(xù)滴定工藝顯著提高了成核過程的可控性，實現(xiàn)了HgTe量子點的可控和規(guī)模化制備。

圖1展示了基于LaMer-Dinegar機制，傳統(tǒng)快速熱注入法與該研究新開發(fā)的連續(xù)滴定合成工藝的對比示意圖。圖2a為使用連續(xù)滴定工藝獲得的不同尺寸HgTe 量子點的代表性吸收光譜。

圖1 （a）傳統(tǒng)快速熱注入合成，（b）連續(xù)滴定合成

圖2 HgTe量子點的材料表征

連續(xù)滴定工藝中的慢反應(yīng)動力學使研究人員能夠探索支鏈HgTe量子點的形成機理。圖3中的透射電子顯微鏡（TEM）圖像顯示了四足形狀HgTe量子點隨反應(yīng)時間的形態(tài)演變。然后，研究人員驗證了連續(xù)滴定工藝在合成可重復性和規(guī)模化生產(chǎn)方面的優(yōu)勢。

圖3 不同反應(yīng)時間的HgTe量子點結(jié)構(gòu)的形貌變化

接著，為了評估HgTe量子點的表面可加工性，研究人員采用連續(xù)滴定工藝制備的HgTe量子點構(gòu)成了底柵架構(gòu)的場效應(yīng)晶體管（FET），如圖4a所示。為了進一步展示了連續(xù)滴定工藝在器件應(yīng)用方面的優(yōu)勢，研究人員分別采用熱注入法和連續(xù)滴定工藝制備了吸收截止波長為1.7 μm的HgTe量子點器件，相關(guān)對比結(jié)果如圖5所示。

圖4 基于連續(xù)滴定的HgTe量子點構(gòu)成的FET器件

圖5 基于熱注入法與連續(xù)滴定工藝的HgTe量子點器件性能對比

最后，研究人員利用p-i-n結(jié)構(gòu)將連續(xù)滴定合成的HgTe量子點堆疊集成到HgTe量子點薄膜晶體管（TFT）成像儀中。圖6a為其平面結(jié)構(gòu)，圖6b為TFT集成架構(gòu)，圖6c為TFT芯片短波紅外（SWIR）成像過程示意圖，圖6d和圖6e為自制納米晶體TFT的成像展示。

圖6 基于連續(xù)注入法合成的1.7μm HgTe量子點的成像展示

研究人員通過連續(xù)滴定工藝獲得的HgTe量子點具有尖銳的帶邊吸收，反映了材料具有優(yōu)異的帶尾態(tài)特性；同時其吸收范圍覆蓋了短波紅外至中波紅外波段。隨后，研究人員制備了HgTe量子點材料，并構(gòu)建了高性能HgTe量子點短波紅外探測器。該器件在室溫條件下獲得的比探測率達8.1× 1011 Jones。這項研究中的連續(xù)滴定工藝可進一步降低高品質(zhì)HgTe量子點材料的制備門檻，對其商業(yè)化應(yīng)用推廣具有重要價值，同時，該方法也為其它量子點材料的可控性、規(guī)?；苽涮峁┝酥妗?/p>

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/smtd.202301557

審核編輯：劉清