中红外波段是重要的大气窗口，相比可见光波段提供额外的热信息，在医学检测、气象遥感、军事侦查、航天探测等方面均拥有重要价值。然而，该波段却不能被人眼直接感知。红外光电探测器运用光电技术，突破人类视觉障碍，以被动的方式探测物体所发出的红外辐射。目前，中红外探测器主要基于碲镉汞、量子阱和II型超晶格，这些材料不仅外延生长方法困难，与读出电路耦合的倒装键合工艺复杂，而且必须在低温下才能实现较高的探测性能，成本很高。胶体量子点作为新兴红外材料，化学热注射法大规模合成易，“墨水式”液相加工可以与读出电路直接耦合，并且其“量子限域”效应在三维尺度限制了热激发载流子的产生，有望实现非制冷、低成本、高性能的中波红外探测器。然而，目前胶体量子点并且异质结设计导致的界面传输和能带不匹配，使探测器依然必须在液氮温度下才能达到背景限，理论预测的室温运行依然遥远。
北京理工大学光电学院陈梦璐教授研究小组，提出混相配体交换的方法，成功制备N型到P型多种掺杂状态的量子点墨水，设计并制备了“强P-弱P-本征-弱N-强N”梯度堆叠的同质结器件，大幅优化了内建电场，该成果使量子点中波红外探测器的“背景限”工作温度提升了百开尔文，成功实现了室温运行。
材料及器件设计
混相配体交换包括液相配体交换、表面偶极子掺杂调控和固相配体交换三个步骤。其核心是通过短链配体替换长链配体，缩短量子点间间隙从而实现密堆积并获得薄膜的高载流子迁移率，同时通过极性配体替换非极性配体实现量子点薄膜的掺杂类型与程度精确可控。（如图1所示）
在材料优化的基础之上，本工作借鉴了传统材料渐变层设计，利用胶体量子点的“墨水式”加工工艺，通过“强P-弱P-本征-弱N-强N”型量子点薄膜层梯度堆叠的方式，实现了梯度同质结器件。（如图2所示）
该结构设计巧妙。一方面，梯度结强化了内建电场，增加了耗尽层厚度，优化了光生载流子的产生与分离过程；另一方面，同质结避免了界面输运不匹配导致的光生载流子损耗，优化了光生载流子的传输与收集过程。
性能测试
这项工作极大地提升了探测器的工作温度，中波4-5微米探测器在200K下，比探测率高于1011Jones，性能达到背景限制；280K下，仍能保持1010比探测率。 梯度同质结量子点探测器的外量子效率相比常规量子点探测器提升近1个量级，达到77%。该工作同时验证了探测器的热成像及气体检测等实际应用功能。（如图3所示）
结论
综上，此次工作开发了混相配体交换方法，实现了中高载流子迁移率、掺杂精确可控的量子点材料制备技术，以此为基础制备了梯度同质结光电探测器，突破了中红外探测器的工作温度限制，极大促进了非制冷、低成本、高性能，是新型红外探测器的发展方向。
论文信息
该成果以“High-operating-temperature mid-infrared photodetectors via quantum dot gradient homojunction”为题发表在Light : Science and Applications。
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41377-022-01014-0
