紅外探測器將紅外光子轉(zhuǎn)化為可測量的電信號。傳統(tǒng)紅外探測器以碲鎘汞（MCT）、III-V族外延半導(dǎo)體為核心，器件性能優(yōu)異，但依賴分子束外延等高真空高溫制備工藝，生產(chǎn)成本高昂，多數(shù)器件需要77–200 K低溫制冷，且難以和硅基CMOS、柔性襯底單片集成。以膠體量子點、等離子金屬納米顆粒、低維納米晶體為代表的溶液可加工納米顆粒（NPs）材料，憑借帶隙尺寸精準(zhǔn)可調(diào)、大面積低成本成膜、室溫可工作等突出優(yōu)勢，成為下一代紅外探測的核心研發(fā)方向。
圖1 傳統(tǒng)（體相或外延型）紅外探測器與基于納米顆粒料的紅外探測器的對比
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，德國科隆大學(xué)（University of Cologne）的聯(lián)合研究團(tuán)隊系統(tǒng)梳理了近十五年納米顆粒基紅外探測器全鏈條研究進(jìn)展，從納米材料可控合成、表面界面化學(xué)改性、大面積薄膜制備、多類型器件架構(gòu)設(shè)計四大維度展開歸納，橫向?qū)Ρ冉t外（NIR）、短波紅外（SWIR）、中長波紅外（MWIR/LWIR）各類材料性能指標(biāo)，剖析材料穩(wěn)定性、暗電流噪聲、量產(chǎn)均勻性等行業(yè)共性難題，并指明無鉛新材料、神經(jīng)形態(tài)傳感、CMOS單片集成等前沿發(fā)展方向。該綜述系統(tǒng)梳理納米顆粒紅外探測技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)與技術(shù)突破。相關(guān)研究成果以“Advances in Nanoparticle-Based Fabrication Techniques for Infrared Detectors: A Comprehensive Review”為題發(fā)表在Inorganics期刊上。
紅外探測用納米顆粒材料體系及光電特性
紅外光電探測器的工作原理是：通過光子吸收、電荷產(chǎn)生、分離、輸運以及在電極處收集等過程，將入射紅外光子轉(zhuǎn)化為可檢測的電信號。對于基于納米顆粒的探測器而言，上述各類過程受量子限域效應(yīng)、表面化學(xué)特性、配體耦合作用以及顆粒間電荷輸運特性的顯著影響。納米顆粒薄膜中的光子探測過程可歸納為四個連續(xù)階段（如圖2）：(i)納米顆粒內(nèi)部發(fā)生光子吸收與激子生成；(ii)激子解離為自由載流子；(iii)載流子在納米顆粒網(wǎng)絡(luò)中輸運；(iv)在電極接觸處完成電荷提取。圖3梳理了納米顆粒材料、光譜選擇性方案、制備工藝、器件結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)，闡明納米尺度工程可同時調(diào)控器件的靈敏度與波長分辨能力。
按照材料組分與微觀結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有紅外探測納米材料可劃分為膠體量子點、等離子金屬納米顆粒、新型低維窄帶納米顆粒三大類，不同材料光譜響應(yīng)區(qū)間、載流子輸運特性差異化顯著。
硫族膠體量子點（CQD）：突破尺寸可調(diào)范圍限制
PbS、PbSe、HgTe是現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)化前景最高的膠體量子點材料。通過量子限域效應(yīng)調(diào)控納米顆粒徑，PbS可實現(xiàn)0.8–4 μm光譜連續(xù)可調(diào)，覆蓋近紅外與短波紅外；HgTe憑借本體負(fù)帶隙特性，粒徑調(diào)控后探測波長可延伸至8–18 μm超長波紅外，是少數(shù)可室溫實現(xiàn)長波紅外探測的溶液材料。性能數(shù)據(jù)顯示，室溫下優(yōu)化PbS基光電二極管比探測率可達(dá)1013 Jones量級，HgTe器件在80 K低溫環(huán)境下比探測率可達(dá)6.6×10? Jones。但Hg、Pb重金屬組分受RoHS環(huán)保法規(guī)限制，是該體系商用化主要阻礙。CsPbX?鈣鈦礦納米顆粒僅能響應(yīng)1.8 μm以內(nèi)短波，缺陷容忍度高，但離子遷移、熱穩(wěn)定性差，多用于近紅外探測。
等離子貴金屬納米顆粒：局域場調(diào)控
Au、Ag各向異性納米棒、納米殼依靠局域表面等離激元共振（LSPR）實現(xiàn)紅外光場局域增強，依靠熱電子注入機理實現(xiàn)亞帶隙紅外探測，響應(yīng)速度可低至皮秒量級，適用于超快光通信探測。但該類器件本征內(nèi)量子效率普遍低于1%，熱噪聲偏高，難以實現(xiàn)超高靈敏弱光檢測，多用于復(fù)合增強層，和膠體量子點薄膜復(fù)合提升有源層光吸收效率。
低維與混合納米結(jié)構(gòu)
黑磷（BP）、Bi?Se?拓?fù)浼{米顆粒為新興探測材料，黑磷帶隙隨層數(shù)從2.0 eV連續(xù)降至本體0.3 eV，光譜覆蓋1–8 μm，具備強偏振光電響應(yīng)，但在大氣環(huán)境極易氧化失效；Bi?Se?依托拓?fù)涫鼙Ｗo(hù)表面態(tài)實現(xiàn)寬譜紅外吸收，但合成雜質(zhì)難以管控，成品器件探測率多在10? Jones級別，整體性能弱于成熟硫族量子點。
制造與集成技術(shù)的研究進(jìn)展
材料合成與表面配體改性直接決定薄膜載流子遷移率、缺陷密度，是優(yōu)化探測器暗電流與信噪比的核心環(huán)節(jié)。
納米顆粒合成與表面工程
沉積與圖案化技術(shù)：助力大面積電子器件制備
在納米顆粒的沉積與圖案化加工領(lǐng)域，現(xiàn)有多種制備方法：旋涂與刮涂、噴墨與3D氣溶膠噴射印刷、逐層（LbL）組裝與電泳沉積（EPD）、噴霧熱解與電噴霧沉積。
器件架構(gòu)創(chuàng)新：充電路徑的工程設(shè)計
在器件構(gòu)型上，目前主流分為四類：（1）光電導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)最簡單、光電增益可達(dá)10?，但1/f噪聲大、響應(yīng)偏慢；（2）p-i-n光伏二極管依靠內(nèi)建電場自發(fā)分離載流子，零偏壓低噪聲，是成像焦平面主力架構(gòu)；（3）光電晶體管依托柵壓調(diào)控實現(xiàn)超高增益，但柵滯后問題制約穩(wěn)定性；（4）等離子增強型器件借助超構(gòu)表面實現(xiàn)超薄膜近完美紅外吸收，多用于窄帶濾波探測。圖5展示了采用多種工藝制備光電探測器的過程。
性能基準(zhǔn)測試、噪聲分析與系統(tǒng)集成
在基于納米顆粒的紅外探測器研究中，建立標(biāo)準(zhǔn)化測試協(xié)議是非常必要的。圖6展示了一種基于納米顆粒的紅外光電探測器的典型結(jié)構(gòu)，并闡明了將入射紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號的一系列連續(xù)過程。工作溫度是影響紅外探測器性能的最重要因素之一，因為探測率、暗電流、響應(yīng)速度以及噪聲特性都嚴(yán)重依賴于溫度。室溫納米顆粒探測器更適合那些注重成本、集成靈活性、緊湊性以及系統(tǒng)復(fù)雜度降低的應(yīng)用場景。
關(guān)鍵挑戰(zhàn)、基礎(chǔ)性局限與新興前沿
材料環(huán)境穩(wěn)定性短板、暗電流與低頻噪聲難題、量產(chǎn)均勻性制約均是關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
圖7 紅外探測器的關(guān)鍵性能指標(biāo)
圖8展示了基于納米顆粒的紅外探測技術(shù)從早期概念驗證研究到未來智能傳感平臺的發(fā)展路線圖。圖9通過展現(xiàn)技術(shù)機遇與規(guī)模化落地所需攻克的各類阻礙之間的權(quán)衡關(guān)系，總結(jié)了基于納米顆粒的紅外探測技術(shù)的未來發(fā)展前景與現(xiàn)存難題。
圖8 基于納米顆粒的紅外探測技術(shù)發(fā)展歷程
https://doi.org/10.3390/inorganics14060153
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