碲化汞（HgTe）纳米晶体具有可调谐红外吸收光谱、溶液可加工性、低制造成本以及易与硅基电路集成等特点。这为新一代低成本红外探测技术的发展提供了新的思路。尽管目前已在合成规模化基可控性方面取得巨大进步，但对于高品质HgTe量子点而言仍然存在挑战。因此，开发高品质HgTe量子点的可控、规模化制造工艺具有重要的研究和应用价值。
据麦姆斯咨询报道，近日，由华中科技大学组成的科研团队在Small Methods期刊上发表了以“Short-Wave Infrared Detection and Imaging Employing Size-Customized HgTe Nanocrystals”为主题的文章。该论文的第一作者为Binbin Wang，通讯作者为蓝新正教授。
研究人员利用HgTe量子点高临界成核浓度的特点，提出了一种连续滴定（CD）添加阴离子前驱体的的方法。缓慢的反应动力学能够实现HgTe量子点的尺寸定制合成，使HgTe量子点具有尖锐的激子带尾态特性和宽吸收范围（完全覆盖短波红外至中波红外波段）。更重要的是，连续滴定工艺的内在优势确保了在不影响激子特性情况下，HgTe量子点的高均匀性及放大合成。与传统快速热注入法相比，这种连续滴定工艺显著提高了成核过程的可控性，实现了HgTe量子点的可控和规模化制备。
图1展示了基于LaMer-Dinegar机制，传统快速热注入法与该研究新开发的连续滴定合成工艺的对比示意图。图2a为使用连续滴定工艺获得的不同尺寸HgTe 量子点的代表性吸收光谱。
图1 （a）传统快速热注入合成，（b）连续滴定合成
图2 HgTe量子点的材料表征
连续滴定工艺中的慢反应动力学使研究人员能够探索支链HgTe量子点的形成机理。图3中的透射电子显微镜（TEM）图像显示了四足形状HgTe量子点随反应时间的形态演变。然后，研究人员验证了连续滴定工艺在合成可重复性和规模化生产方面的优势。
图3 不同反应时间的HgTe量子点结构的形貌变化
接着，为了评估HgTe量子点的表面可加工性，研究人员采用连续滴定工艺制备的HgTe量子点构成了底栅架构的场效应晶体管（FET），如图4a所示。为了进一步展示了连续滴定工艺在器件应用方面的优势，研究人员分别采用热注入法和连续滴定工艺制备了吸收截止波长为1.7 μm的HgTe量子点器件，相关对比结果如图5所示。
图4 基于连续滴定的HgTe量子点构成的FET器件
图5 基于热注入法与连续滴定工艺的HgTe量子点器件性能对比
最后，研究人员利用p-i-n结构将连续滴定合成的HgTe量子点堆叠集成到HgTe量子点薄膜晶体管（TFT）成像仪中。图6a为其平面结构，图6b为TFT集成架构，图6c为TFT芯片短波红外（SWIR）成像过程示意图，图6d和图6e为自制纳米晶体TFT的成像展示。
图6 基于连续注入法合成的1.7μm HgTe量子点的成像展示
研究人员通过连续滴定工艺获得的HgTe量子点具有尖锐的带边吸收，反映了材料具有优异的带尾态特性；同时其吸收范围覆盖了短波红外至中波红外波段。随后，研究人员制备了HgTe量子点材料，并构建了高性能HgTe量子点短波红外探测器。该器件在室温条件下获得的比探测率达8.1× 10¹¹ Jones。这项研究中的连续滴定工艺可进一步降低高品质HgTe量子点材料的制备门槛，对其商业化应用推广具有重要价值，同时，该方法也为其它量子点材料的可控性、规模化制备提供了助益。
https://doi.org/10.1002/smtd.202301557
