西安交大在量子点基近红外光电探测器领域取得进展

2023年诺贝尔化学奖授予Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexey I. Ekimov，以表彰他们在“发现和开发量子点”方面作出的贡献。在近红外探测领域，硫化铅量子点（PbS QDs）凭借其低廉的生产成本、可调谐的带隙、优异的光电性能而获得广泛关注。以PbS QDs为光敏层，以非晶氧化铟镓锌（a-IGZO）为沟道层的敏化场效应晶体管型光电探测器凭借超高的灵敏度而获得了迅速的发展。这类器件在发展历程中高度依赖基于固相配体交换的PbS QDs薄膜，这使其制备工艺繁琐、良品率低，与卷对卷工艺不兼容，无法满足工业化生产的需求。此外，受基于固相配体交换的PbS QDs薄膜质量所限，这类器件灵敏度的进一步提升受到限制，其空气稳定性较差也是一个问题。
针对上述关键问题，西安交通大学电子科学与工程学院电子陶瓷与器件教育部重点实验室、陕西省先进储能电子材料与器件工程研究中心阙文修教授团队报道了一种基于液相配体交换的PbS-I QDs/a-IGZO敏化场效应晶体管型光电探测器。液相配体交换工艺的应用，优化了器件的制备工艺，为其大面积、规模化生产奠定了基础。研究团队系统地对比研究了基于液相配体交换的PbS-I薄膜与基于固相配体交换的PbS-TBAI薄膜，证明前者在薄膜质量、场效应载流子迁移率、电导率等方面均有优势。相比于PbS-TBAI/a-IGZO异质结，PbS-I/a-IGZO异质结具有更优的能带匹配，研究团队借助飞秒瞬态吸收光谱深度分析了PbS-I/a-IGZO异质结的载流子转移机理，证实了该异质结中存在着皮秒级的超快电子转移。基于上述优势，相比于PbS-TBAI器件，PbS-I器件的比探测率获得了两个数量级的提升，达到了9.3×1012Jones，在已报道的同类器件中处于领先。通过调控栅压，在损失一定响应度的前提下，可使PbS-I器件的衰减时间（响应速度）缩短40倍以上，达到0.3 ms，这意味着PbS-I敏化器件可通过调节栅压工作于不同的工作模式中，以满足不同的探测需求。研究结果还表明，PbS-I薄膜具有较强的抗氧化性，PbS-I器件暴露在空气环境中半年后光响应未发生衰减，这为其实际应用奠定了坚实基础。
上述工作以《高灵敏度栅控PbS-I量子点敏化非晶氧化铟镓锌异质结光场效应晶体管》(Gate voltage adjusting PbS-I quantum-dot-sensitized InGaZnO hybrid phototransistor with high-sensitivity)为题，发表于应用物理领域国际著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。