综述：胶体量子点红外光电探测器进展与挑战
2025-12-06 10:15:35 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文全面阐述了量子点的基本特性及各类红外光电探测器的工作原理，系统回顾了基于胶体量子点的短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）探测器的最新研究进展。
胶体量子点（CQDs）凭借其可调带隙、低成本制备及易于加工的特性，而成为红外光电探测器领域极具潜力的材料。柔性或可穿戴胶体量子点光电探测器在医疗器械与消费电子产品中展现出广阔应用前景。
据麦姆斯咨询报道，近日，由西华大学、昆明物理研究所和中国科学院宁波材料技术与工程研究所（简称：宁波材料所）组成的研究团队在Quantum Beam Science期刊上发表了题为“Advancements and Challenges in Colloidal Quantum Dot Infrared Photodetectors: Strategies for Short-Wave Infrared, Mid-Wave Infrared, and Long-Wave Infrared Applications”的综述论文，全面阐述了量子点的基本特性及各类红外光电探测器的工作原理，系统回顾了基于胶体量子点的短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）探测器的最新研究进展。
尽管胶体量子点光电探测器蕴含巨大潜力，但与传统红外探测技术相比仍面临诸多挑战。目前，胶体量子点探测器的商业应用主要局限于近红外和短波红外波段，中波红外和长波红外波段的应用尚处于开发阶段。研究重点长期集中于铅基和汞基量子点，其环境风险凸显了开发高性能无毒材料的迫切需求。展望未来，实现大阵列、小像素胶体量子点光电探测器以及提升与读出电路（ROIC）的兼容性，将成为未来发展的关键方向。这篇综述深入剖析了这些技术瓶颈，并提供了潜在解决方案，为下一代红外传感技术发展奠定基础。
量子点
量子点（QDs）是尺寸接近或小于其玻尔激子半径的零维纳米材料，典型尺寸为1 nm至10 nm，故亦称“纳米晶体”。在量子点中，电子运动在所有空间方向都受到限制，使得连续的能带结构转化为离散能级。这种独特的量子限制效应，使得通过调节量子点尺寸即可精准调整带隙，进而赋予其与块体材料截然不同的物理和化学性质。
图1 块体材料与量子点的带隙对比
图2 不同尺寸硫化铅（PbS）量子点的吸收光谱
胶体量子点通常采用化学合成法制备。图3展示了经油酸包覆并通过配体交换钝化的量子点表面示意图。将合成的胶体量子点制备成胶体量子点墨水之后，可以通过喷涂、旋涂、喷墨打印等溶液加工方法，直接沉积于各类衬底表面（如图4a）。图4b和图4c分别为胶体量子点焦平面阵列的制备工艺图和截面图。通过将量子点墨水直接沉积于读出电路（ROIC）上，可实现亚微米级像素尺寸光电探测器的制备。
图3 经油酸包覆并配体交换钝化的量子点表面结构示意图
图4 溶液加工型光电探测器
量子点红外光电探测器
胶体量子点的合成研究已从早期的镉基材料，逐步发展到铅基材料，进而延伸至汞基材料。由于块体碲化汞（HgTe）属于零带隙材料，HgTe胶体量子点的带隙可调节至长波红外波段，这一特性吸引了众多研究者关注该材料体系，并开发出多种HgTe胶体量子点红外探测器。同时，针对不同应用场景，研究人员也开始探索如铜铟硒（CuInSe₂）和硒化银（Ag₂Se）等其它半导体材料，这些纳米材料因无毒环保特性在生物医学领域展现出广阔应用前景。
根据工作原理，量子点红外探测器主要分为三类：光导型、光伏型和光电晶体管型。量子点作为探测器的光敏层，在吸收光子能量后产生电子空穴对，经电荷分离及提取后产生光电流。光导探测器采用对称欧姆接触电极，需施加外部电压才能工作。光伏探测器基于光伏效应，通过内建电场实现光生电子空穴对的快速分离与收集。光电晶体管是一种含有源极、漏极和栅极的三端器件，可通过调节栅极电压来控制沟道电流；当栅极施加偏压时，量子点光敏层中的光生载流子可转移至载流子迁移率更高的材料中，最终由漏极和源极收集。
受材料带隙的限制，短波红外波段的胶体量子点红外探测器的研究主要集中在铅基和汞基量子点。其中铅基体系的合成方法研究起步较早，硫化铅（PbS）和硒化铅（PbSe）量子点块体材料带隙分别为0.41 eV和0.26 eV，主要响应近红外和短波红外波段，因此在近红外和短波红外传感领域得到最广泛的开发。图5展示了部分胶体量子点短波红外探测器的研究成果，表1展示了典型胶体量子点短波红外探测器的总结。
图5 胶体量子点短波红外探测器
表1 典型胶体量子点短波红外探测器汇总
中波红外波段研究最深入的胶体量子点材料是HgTe。该材料兼具成本低、与衬底兼容性强、红外光谱可调范围宽、工作温度高等特性，已成为研究热点。图6展示了部分胶体量子点中波红外探测器的研究成果，表2展示了典型胶体量子点中波红外探测器的总结。
图6 胶体量子点中波红外探测器
表2 典型胶体量子点中波红外探测器汇总
HgTe量子点具有宽带可调性，是目前长波红外波段研究深入的胶体量子点，其带内跃迁特性对红外应用具有重要意义。胶体量子点的另一重要研究方向是多波段探测，可覆盖更宽光谱范围，并进一步拓展器件的应用场景。
总结与展望
综上所述，胶体量子点凭借其可调带隙、低成本制备和溶液可加工等特性，被视为极具潜力的红外光电探测器材料。本综述阐述了量子点的基本特性，概述了各类红外探测器的工作原理，并回顾了短波红外/中波红外/长波红外探测器的最新进展。然而，相较于传统的红外探测器，胶体量子点红外探测器仍然面临多重挑战：
（1）波长范围限制：目前胶体量子点红外探测器的商业应用主要集中于近红外和短波红外波段，在中波红外和长波红外波段应用效果仍存在显著差距。掺杂策略或混合材料设计有望成为扩展探测波长的可行解决方案。
（2）材料限制：胶体量子点的研究主要聚焦于铅基和汞基量子点，二者均含有重金属元素。因此亟需积极开发兼具无毒性与高性能的新型量子点材料。磷化铟（InP）量子点等不含重金属的材料凭借其优异光学性能，正逐渐进入研究视野。
展望未来，胶体量子点红外探测器的发展方向应聚焦于大阵列、小像素。可扩展且高精度的制备工艺（例如3D纳米打印和卷对卷工艺）在实现低成本、大规模的胶体量子点器件量产方面具有巨大应用潜力。
论文链接：https://doi.org/10.3390/qubs9010009
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