为人眼安全激光雷达（LiDAR）应用提供高灵敏、高速的量子点短波红外探测器。
研究人员展示量子点溶液样品
短波红外（SWIR）频率范围在1.4 – 3.0 μm之间，具有适合某些应用的特殊特性，例如，受大气散射的影响较小，以及“对人眼安全”等。这些应用包括激光雷达、空间定位和测绘、用于监控的恶劣天气成像、汽车安全以及环境监测等。
然而，西班牙光子科学研究所ICFO的研究人员表示，目前短波红外辐射还仅限于小众应用，例如科学仪器和军事用途，这主要是因为短波红外探测器需要依赖成本高昂且难以制造的材料。
过去几年来，胶体量子点，一种溶液处理的半导体纳米晶体，已成为主流消费电子产品的替代品。量子点通常使用铅或汞等有毒重金属，但也可以用碲化银（Ag₂Te）等“环保”材料制成。
事实上，Ag₂Te胶体量子点显示出与含毒量子点相当的器件性能。但它们仍处于起步阶段，在实际应用之前必须解决多个难题。
改进的Ag₂Te
据麦姆斯咨询介绍，ICFO的研究人员展示了一种制造Ag₂Te胶体量子点的新方法，解决了这些难题。
该团队还利用无毒材料制成的胶体量子点开发了首个概念验证型短波红外激光雷达，成功测量了10 m以上的距离，分辨率达到分米级。该团队表示，这项研究标志着向面向消费和汽车市场的实用、经济、环保型短波红外激光雷达系统迈出了关键一步。
Ag₂Te胶体量子点历来面临三大挑战：高暗电流、有限的线性动态范围和响应速度。暗电流是指即使在没有光的情况下，流经光电探测器的微小电流。高暗电流会增加噪声，限制对微弱信号的灵敏度。对于激光雷达应用来说，这最终限制了探测远处物体的能力，因为距离越远或大气干扰越多，信号衰减就越大。
线性动态范围是指可探测到的最小光强和最大光强之间的范围。范围越宽，短波红外探测器能感知和可视化的场景对比度就越高。最后，短波红外探测器的响应速度衡量它对入射光强度变化的反应速度。快速响应有助于精确测量距离和光通信等应用。
更环保Ag₂Te胶体量子点短波红外光电二极管
显著改善
ICFO的研究人员此前在Nature Photonics期刊上发表的文章中指出，与已有报道的记录相比，ICFO的研究人员大幅改进了所有这三项特性。具体来说，他们实现了小于500 nA/cm²的暗电流密度，1400 nm波长的外部量子效率达到30%，LDR超过150 dB，时间响应快至25 ns。
这些成功的结果鼓励他们采用由符合有害物质限制指令材料制成的胶体量子点，首次构建了一个概念验证型短波红外激光雷达。该激光雷达能够以分米级的分辨率测量10 m以上的距离，展示了Ag₂Te胶体量子点在激光雷达应用中的巨大潜力。
该论文的第一作者之一Yongjie Wang博士说：“在项目开始时，我们没想到最终的器件性能会有如此大的飞跃。团队首先优化了量子点的合成，以减少可能降低效率的表面缺陷。”
然而，仅靠这一策略是不够的。“最初，器件性能并不令人满意。直到我们对量子点薄膜进行了硝酸银后处理，才看到了重大改进，这表明这种优化方法很有前景。”他补充道。
未来的研究重点是实现更快的响应时间、更高的量子效率以及在实际温度和湿度条件下更可靠的运行。包括本研究在内的这些进展将使我们离最终目标更近一步，即在消费电子产品中广泛应用短波红外传感技术。
