- 無重金屬紅外量子點為對人眼安全的激光雷達應用提供靈敏且快速的傳感器
- 來源：光子科學研究所（ICFO） 發表于 2025/4/14
左側是碲化銀（Ag₂Te）膠體量子點短波紅外（SWIR）光電二極管，右側是通過溶液處理的碲化銀量子點。圖片來源：Jordi Cortés，ICFO
短波紅外（SWIR）頻率范圍具有非常獨特的特性，使其成為多種應用的理想選擇，例如受大氣散射的影響較小，并且對人眼 “安全”。這些應用包括激光探測與測距（LIDAR），一種使用激光確定范圍和距離的方法、空間定位和繪圖、用于監視和汽車安全的惡劣天氣成像、環境監測等等。
然而，目前短波紅外光主要局限于科學儀器和軍事用途等小眾領域，主要原因是短波紅外光電探測器依賴于昂貴且難以制造的材料。在過去幾年中，膠體量子點 —— 通過溶液處理的半導體納米晶體 —— 已成為主流消費電子產品的一種替代選擇。
雖然通常使用有毒重金屬（如鉛或汞）來制造量子點，但量子點也可以使用環保材料，如碲化銀（Ag₂Te）來制造。實際上，碲化銀膠體量子點的器件性能與那些含有有毒重金屬的量子點相當。但它們仍處于起步階段，在實際應用之前，還必須解決幾個挑戰。
現在，由加泰羅尼亞高等研究院（ICREA）教授 Gerasimos Konstantatos 領導的 ICFO 研究人員王勇杰博士、吳昊、Carmelita Rodà 博士、彭鹿城博士、Nima Taghipour 博士和 Miguel Dosil，展示了一種制造碲化銀膠體量子點的新方法，解決了這些挑戰。該團隊還開發了首個使用無毒材料制成的膠體量子點的短波紅外激光雷達概念驗證，成功地以分米級分辨率測量了超過 10 米的距離。
這項發表在《先進材料》上的研究，標志著向面向消費和汽車市場的實用、經濟且環保的激光雷達系統邁出了關鍵一步。
克服用于短波紅外光探測的無毒膠體量子點的挑戰
傳統上，碲化銀膠體量子點面臨三個挑戰：高暗電流、有限的線性動態范圍和響應速度。
暗電流是即使在沒有光的情況下也會流過光電探測器的小電流。高暗電流會增加噪聲，限制對弱信號的靈敏度。
吳昊在 ICFO 的實驗室工作。圖片來源：Jordi Cortés，ICFO
對于激光雷達應用，這最終限制了檢測遠處物體的能力，因為距離越遠或大氣干擾越大，信號衰減就越嚴重。線性動態范圍是指最小和最大可檢測光強度之間的范圍。范圍越寬，短波紅外探測器能夠感知和可視化的場景對比度就越高。
最后，光電探測器的響應速度衡量的是它對入射光強度變化的反應速度。快速響應有助于準確的距離測量和光通信等應用。
與僅僅一年前他們自己在《自然・光子學》上報道的記錄相比，ICFO 的研究人員大幅改進了這三個性能。具體來說，他們實現了小于 500nA/cm² 的暗電流密度、在 1400 納米處 30% 的外量子效率、超過 150dB 的線性動態范圍以及快至 25 納秒的時間響應。
這些成功的結果促使他們首次使用符合《限制有害物質指令》的材料制成的膠體量子點，構建了一個短波紅外激光雷達概念驗證裝置。該裝置以分米級分辨率測量了超過 10 米的距離，展示了碲化銀膠體量子點在激光雷達應用中的巨大潛力。
“在項目開始時，我們沒想到最終的器件性能會有如此顯著的飛躍，” 該論文的第一共同作者王勇杰博士回憶道。該團隊從優化量子點的合成開始，以消除往往會降低效率的表面缺陷。然而，僅靠這一策略是不夠的。
“最初，器件性能并不十分令人滿意。直到我們對量子點薄膜進行了硝酸銀后處理，才看到了重大改進，這表明這種優化方法很有前景，” 這位研究人員補充道。
所提出的工程策略利用了膠體量子點的成本效益和制造優勢，推進了短波紅外光電器件的發展，同時大大提高了它們作為環保替代品的性能。未來的研究將集中在實現更快的響應時間、更高的量子效率以及在現實的溫度和濕度條件下更可靠的運行。
包括本研究在內的這些進展，將使我們更接近最終目標：在消費電子產品中廣泛采用短波紅外光。
更多信息：王勇杰等人，《使用碲化銀量子點的短波紅外光探測與測距》，《先進材料》（2025 年）。DOI：10.1002/adma.202500977
期刊信息：《自然・光子學》，《先進材料》
由光子科學研究所（ICFO）提供
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