紅外成像技術(shù)最開始起源于軍用，后來逐漸轉(zhuǎn)飛入尋常百姓家，在機(jī)器視覺、安防和生物成像等新興領(lǐng)域大有用途，目前電子消費(fèi)品領(lǐng)域廣泛使用了該技術(shù)，尤其是手機(jī)夜間拍攝。
傳統(tǒng)紅外成像儀由光電探測(cè)器+硅基讀出集成電路組成，這兩部分互聯(lián)時(shí)需要復(fù)雜且苛刻的工藝，導(dǎo)致成本大、大規(guī)模生產(chǎn)困難，要想在智能手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品中使用，就得探索低成本的新材料、新方法、新工藝。
2022年6月16日，華中科技大學(xué)唐江教授團(tuán)隊(duì)在Nature Electronics 期刊上發(fā)表文章：A near-infrared colloidal quantum dot imager with monolithically integrated readout circuitry。
這個(gè)工作除了華科團(tuán)隊(duì)，還受到了海思（華為）公司的支持。如下圖，他們制備出了國內(nèi)首款硫化鉛膠體量子點(diǎn)紅外成像芯片。
這個(gè)工作采用了溶液可制備的PbS膠體量子點(diǎn)做為紅外光的響應(yīng)材料，這和商用的InGaAs、InSb、HgCdTe光電探測(cè)器相比制備更加簡單、成本低、且?guī)犊烧{(diào)，下圖中的PbS量子點(diǎn)光譜響應(yīng)范圍為400-1300 nm。
難題：傳統(tǒng)的PbS量子點(diǎn)器件是從底部入射光，這種器件結(jié)構(gòu)不適配硅基讀出集成電路，因?yàn)槠浜谋M區(qū)遠(yuǎn)離入射光，導(dǎo)致器件外量子效率低。
解決：為了實(shí)現(xiàn)頂部入射光的有效吸收和信號(hào)采集，設(shè)計(jì)出了下圖紅外成像儀結(jié)構(gòu)：將光敏量子點(diǎn)紅外器件直接集成到讀出集成電路上，頂部采用透明導(dǎo)電氧化物，這樣還避免了繁瑣的互聯(lián)工藝。通過模擬和實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，使得耗盡區(qū)靠近入射光，提高載流子的分離與收集效率，從而提升器件性能。
問題：上述頂部入射的量子點(diǎn)光電二極管性能較差，這可能是由于在頂部沉積高質(zhì)量的透明電極時(shí)，容易破壞底部脆弱的量子點(diǎn)層。
解決：由于在ZnO濺射過程中會(huì)破壞PbS活性層，作者引入 C60界面鈍化層來降低界面缺陷，經(jīng)過對(duì)C60層的精心優(yōu)化，NiOx/PbS/C60/ZnO光電二極管顯示出良好的光響應(yīng)，缺陷濃度降低至2.3×1016?cm?3。該量子點(diǎn)光電探測(cè)器室溫探測(cè)率為2.1×1012Jones，外量子效率為63%，-3dB帶寬為140kHz，線性動(dòng)態(tài)范圍超過100dB。
基于上述最優(yōu)器件，創(chuàng)建了大型近紅外成像儀（640×512像素），其空間分辨率為40 lp/mm，調(diào)制傳遞函數(shù)為50%，具有可與商用 InGaAs 成像芯片媲美的效果。
如下圖，拍攝蘋果，發(fā)現(xiàn)PbS成像儀捕捉紅外圖像的能力彌補(bǔ)了硅成像儀難以識(shí)別的額外信息；與商用InGaAs相比，PbS紅外成像儀在靜脈邊緣的灰度變化更明顯、更清晰，在靜脈成像方面顯示出更大的應(yīng)用潛力；PbS紅外成像儀在水和乙醇的鑒別方面優(yōu)于InGaAs成像儀。
這個(gè)工作開創(chuàng)了國內(nèi)量子點(diǎn)紅外成像芯片的先河，量子點(diǎn)波長可調(diào)，可以做出波長可調(diào)的紅外探測(cè)芯片，未來大有可為！
唐江，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心教授，博士生導(dǎo)師，光學(xué)與電子信息學(xué)院院長，科睿唯安高被引作者。一直從事新型光電轉(zhuǎn)換材料與器件研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，其中以第一或者通訊作者身份發(fā)表Nature 1篇，Nature Photonics 3篇，Nature Materials 和Nature Energy 各1篇，被引用25000余次；授權(quán)中國發(fā)明專利30余項(xiàng)。目前的主要研究方向是量子點(diǎn)紅外探測(cè)芯片、鹵素鈣鈦礦X射線探測(cè)器、鹵素鈣鈦礦發(fā)光材料與器件、硒化銻薄膜太陽能電池，每個(gè)方向都碩果累累！
1.?https://doi.org/10.1038/s41928-022-00779-x
2.?https://mp.weixin.qq.com/s/UMNyGUWC9sLma86QaRicjg
3. http://tfsc.wnlo.hust.edu.cn/info/1041/1063.htm
原創(chuàng)文章，作者：v-suan，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/09/8d13ca3f4d/
-透明背底.png)
