碲化汞（HgTe）納米晶體具有可調諧紅外吸收光譜、溶液可加工性、低制造成本以及易與硅基電路集成等特點。這為新一代低成本紅外探測技術的發展提供了新的思路。盡管目前已在合成規模化基可控性方面取得巨大進步，但對于高品質HgTe量子點而言仍然存在挑戰。因此，開發高品質HgTe量子點的可控、規模化制造工藝具有重要的研究和應用價值。

據麥姆斯咨詢報道，近日，由華中科技大學組成的科研團隊在Small Methods期刊上發表了以“Short-Wave Infrared Detection and Imaging Employing Size-Customized HgTe Nanocrystals”為主題的文章。該論文的第一作者為Binbin Wang，通訊作者為藍新正教授。

研究人員利用HgTe量子點高臨界成核濃度的特點，提出了一種連續滴定（CD）添加陰離子前驅體的的方法。緩慢的反應動力學能夠實現HgTe量子點的尺寸定制合成，使HgTe量子點具有尖銳的激子帶尾態特性和寬吸收范圍（完全覆蓋短波紅外至中波紅外波段）。更重要的是，連續滴定工藝的內在優勢確保了在不影響激子特性情況下，HgTe量子點的高均勻性及放大合成。與傳統快速熱注入法相比，這種連續滴定工藝顯著提高了成核過程的可控性，實現了HgTe量子點的可控和規模化制備。

圖1展示了基于LaMer-Dinegar機制，傳統快速熱注入法與該研究新開發的連續滴定合成工藝的對比示意圖。圖2a為使用連續滴定工藝獲得的不同尺寸HgTe 量子點的代表性吸收光譜。

圖1 （a）傳統快速熱注入合成，（b）連續滴定合成

圖2 HgTe量子點的材料表征

連續滴定工藝中的慢反應動力學使研究人員能夠探索支鏈HgTe量子點的形成機理。圖3中的透射電子顯微鏡（TEM）圖像顯示了四足形狀HgTe量子點隨反應時間的形態演變。然后，研究人員驗證了連續滴定工藝在合成可重復性和規模化生產方面的優勢。

圖3 不同反應時間的HgTe量子點結構的形貌變化

接著，為了評估HgTe量子點的表面可加工性，研究人員采用連續滴定工藝制備的HgTe量子點構成了底柵架構的場效應晶體管（FET），如圖4a所示。為了進一步展示了連續滴定工藝在器件應用方面的優勢，研究人員分別采用熱注入法和連續滴定工藝制備了吸收截止波長為1.7 μm的HgTe量子點器件，相關對比結果如圖5所示。

圖4 基于連續滴定的HgTe量子點構成的FET器件

圖5 基于熱注入法與連續滴定工藝的HgTe量子點器件性能對比

最后，研究人員利用p-i-n結構將連續滴定合成的HgTe量子點堆疊集成到HgTe量子點薄膜晶體管（TFT）成像儀中。圖6a為其平面結構，圖6b為TFT集成架構，圖6c為TFT芯片短波紅外（SWIR）成像過程示意圖，圖6d和圖6e為自制納米晶體TFT的成像展示。

圖6 基于連續注入法合成的1.7μm HgTe量子點的成像展示

研究人員通過連續滴定工藝獲得的HgTe量子點具有尖銳的帶邊吸收，反映了材料具有優異的帶尾態特性；同時其吸收范圍覆蓋了短波紅外至中波紅外波段。隨后，研究人員制備了HgTe量子點材料，并構建了高性能HgTe量子點短波紅外探測器。該器件在室溫條件下獲得的比探測率達8.1× 1011 Jones。這項研究中的連續滴定工藝可進一步降低高品質HgTe量子點材料的制備門檻，對其商業化應用推廣具有重要價值，同時，該方法也為其它量子點材料的可控性、規模化制備提供了助益。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/smtd.202301557

審核編輯：劉清