胶体量子点，登顶Nature Nanotechnology！

研究背景

红外光电探测器（IRPDs）是实现人机无缝交互的重要器件，因其在通信、安防、医疗等领域的广泛应用而成为研究热点。然而，传统IRPDs依赖硅、锗及III-V族化合物材料，这些材料需通过高温外延工艺精确调控成分，导致制造过程复杂且成本高昂。此外，传统IRPDs在性能提升方面也受到材料本身带隙和热噪声等因素的限制。

胶体量子点（CQDs）因其可溶液加工性和便捷的带隙调控性，为解决上述问题提供了新思路。然而，CQDs的电荷传输效率较低，载流子迁移率比晶体半导体低10^4到10^6倍，同时CQD表面的悬挂键导致电荷复合和提取效率下降，进一步限制了其性能表现。虽然已有研究通过引入卤化物或硫醇配体和优化CQD墨水配方等方法部分改善了CQD性能，但其低带隙特性仍易受热噪声影响，限制了IRPD的探测能力。

成果简介

有鉴于此，韩国科学技术院Byeongsu Kim，Jung-Yong Lee等人在Nature Nanotechnology期刊上发表了题为“Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors”的最新论文。

科学家提出了一种基于动能泵浦雪崩倍增的新型CQD基IRPD架构。通过在厚度超过540 nm的CQD层中施加强电场，电子获得动能并实现动能泵浦电荷倍增。研究表明，优化CQD点间距离至约4.1 nm，可以有效平衡撞击电离与电子跳跃，从而显著提升器件性能。经优化的CQD基IRPD实现了最大增益85倍和峰值探测度1.4 × 10¹⁴Jones，为高探测性和单光子探测领域提供了新的技术路径。

研究亮点

1. 本研究首次提出了一种基于动能泵浦雪崩倍增的胶体量子点（CQD）红外光电探测器架构。通过在厚度超过540 nm的CQD层中施加强电场，使电子获得超过CQD材料带隙的动能，从而引发动能驱动的电荷倍增。这一创新性设计实现了光诱导电荷倍增的高效利用，突破了传统CQD红外探测器在热噪声下性能受限的瓶颈。

2. 研究表明，点间距离（dDtoD）的优化对电荷倍增和电子跳跃之间的平衡至关重要。通过将点间距离调整至约4.1 nm，不仅降低了电荷倍增的阈能，还有效抑制了CQD聚集引起的器件退化，从而显著提升了器件的稳定性和探测性能。

3. 优化后的CQD红外光电探测器在940 nm波长下实现了最大电荷倍增增益85倍、峰值探测度1.4 × 10¹⁴ Jones以及带宽1.1 × 10⁶ Hz。这些参数均显著优于现有可溶液加工的红外探测器，展现了其在单光子探测及超高探测性应用中的潜力。

图文解读

图1:基于胶体量子点CQD，红外光电探测器infrared photodetectors，IRPDs增殖机制评估。

图2:具有硫醇配体的胶体量子点CQD固体表征。

图3: 利用巯基thiol处理，胶体量子点CQDs的DFT计算。

图4:在940nm红外光源下，基于胶体量子点CQD的红外光电探测器IRPD器件性能。

结论展望

本文研究表明，通过电动势驱动的电荷倍增机制，可以显著提高CQD层的探测能力，尤其是在采用适当的配体处理后，能够有效抑制电子隧穿噪声和提升电荷倍增效应。

CQD层的厚度对电荷倍增有着至关重要的影响，研究强调了保持适当的CQD层厚度（超过540nm）对于优化探测器性能的重要性。研究还揭示了配体长度对CQD性能的影响，尽管较长的配体可以增强电荷倍增，但也可能影响电子跳跃的概率，进一步揭示了CQD层的结构与性能之间复杂的关系。

此外，研究通过结合DFT计算和Poole-Frenkel模型，深入分析了电荷倍增的机理，这为进一步理解和设计高性能CQD基器件提供了理论基础。总之，本研究为高效红外探测器的设计提供了新的思路，特别是在配体优化、电荷倍增和噪声抑制方面。

文献信息

Kim, B., Lee, S.Y., Ko, H. et al. Ultrahigh-gain colloidal quantum dot infrared avalanche photodetectors. Nat. Nanotechnol. (2024).

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胶体量子点，登顶Nature Nanotechnology！

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