量子點材料在高靈敏光電探測器中的應用研究

摘要：量子點材料因具有量子限域效應和帶隙可調特性等特點，在光電探測領域具有獨特優勢。首先，介紹了量子點材料特性和光電探測器原理；其次，系統地闡述了量子點光電探測的關鍵技術，包括量子點材料設計與制備、界面工程與載流子傳輸、光電轉換效率優化和器件穩定性提升；最后，通過分析量子點材料在光電探測器中的應用（具體包括光通信、醫學影像檢測、工業氣體監測和智能安防等領域），總結了不同波段充電探測器中的材料設計策略、器件結構和性能指標。

關鍵詞：量子點材料；光電探測器；界面工程；光電轉換效率

中圖分類號：TN304；TN15 文獻標識碼：A

0 引言

隨著科技的進步和社會的發展，傳統光電探測材料在響應速度、光譜范圍和量子效率等方面存在局限性，而量子點材料憑借其獨特的量子限域效應、可調節的帶隙特性和優異的光電性能等突破了這些限制。本文旨在探討量子點材料在高靈敏光電探測器中的應用，為推動該領域技術的創新發展提供理論指導。

1 量子點材料特性和光電探測器原理

1.1 量子點材料特性

量子點材料是指尺寸在納米量級（一般為2～20 nm）的半導體晶體，其中，銅銦硫（CuInS2）量子點廣泛應用于光電探測、發光二極管以及光電化學電池等領域。量子點作為零維納米材料，具備獨特的量子限域效應與能級離散化特性，電子躍遷呈現離散性與方向性的特點。通過精確調控量子點尺寸可實現帶隙連續可調，從而在光電探測領域展現優異的光譜選擇性與高量子效率特征。

量子點材料憑借其優異的光學性質與半導體特性，在光電器件領域擁有廣闊應用前景。利用量子尺寸效應，量子點材料通過調節粒徑可實現從紫外到紅外的全光譜響應范圍，并表現出較高的吸收系數與光電轉換效率[1]。

1.2 光電探測器原理

光電探測器通過光電效應將光信號轉換為電信號，核心性能指標包括響應率、探測率、響應時間與暗電流。量子點材料在光電探測過程中，通過能帶工程與界面調控實現光生載流子的高效產生、分離與收集，進而達到理想的探測性能。

光生載流子的產生與輸運過程對光電探測器性能具有決定性作用，合理的器件結構設計可有效降低載流子復合損失。利用量子點材料的能帶可調特性能夠實現對特定波長光信號的選擇性探測，優化器件結構與界面特性則能夠提高探測靈敏度，二者結合形成量子點光電探測技術的核心優勢。

2 量子點光電探測關鍵技術

2.1 量子點材料設計與制備

采用熱注入法并且精確調控溫度與時間可以制備3～10 nm的單分散量子點，可將尺寸分布標準差控制在5%以內。前驅體濃度與注入速率的優化可以顯著提升量子點的結晶質量，進而獲得更高的量子產率。表面配體選擇方面，短鏈硫醇類配體可使載流子遷移率提升至10 cm2/（V·s），而長鏈油胺配體則可使量子點在有機溶劑中保持良好的分散性，時長超過6個月[2]。

核殼結構設計通過精確調控殼層厚度與組分梯度實現應力優化，使表面缺陷態密度降低至1010 cm2以下。多級核殼結構中，通過引入能帶匹配的過渡層來降低界面散射，使量子產率提升至95%以上。除核殼結構外，組分工程也是優化量子點性能的重要手段。在組分工程方面，通過調控硫化鉛（PbS）、硒化鎘（CdSe）等量子點的尺寸與組分，實現300～2 000 nm的光譜響應，吸收系數（表征材料對光的吸收能力的參數）可以達到105 cm-1量級。

2.2 界面工程與載流子傳輸

界面能級調控通過分子鏈橋接技術將界面勢壘降低0.2～0.5 eV，注入效率提升至90%以上。表面配體工程通過調控費米能級位置實現載流子濃度的精確控制，電導率可在10-8～10-3s/cm內調節。在多層量子點薄膜中，采用交替配體交換工藝構建能級梯度，實現電荷的定向快速輸運。

二維材料/量子點異質結的構建提升了器件性能，石墨烯作為傳輸通道使載流子遷移率達到

103 cm2/（V·s）。能帶對準優化通過精確調節界面能級結構，借助調控肖特基勢壘高度（金屬與半導體接觸形成的能量勢壘）實現載流子的選擇性收集。暗電流密度降至10-9 A/cm2。界面態鈍化方面，采用原子層沉積技術生長氧化鋁（Al2O3）、二氧化鉿（HfO2）等氧化物鈍化層，該技術可以使界面復合速率降低2個數量級，光電響應時間優化至微秒量級。

2.3 光電轉換效率優化

等離激元納米結構的引入使局部電磁場強度增強10～100倍，光吸收效率提升50%以上。光子晶體結構設計通過多重散射延長光程，單層量子點薄膜在可見光區域表現出高達98%的吸收率。微腔結構的構建可以實現光場局域化與增強，使量子效率在特定波長條件下達到120%。垂直結構設計通過縮短載流子傳輸距離降低復合損失，使響應率提升至0.5 A/W。多層疊層結構利用量子點尺寸梯度實現光譜響應范圍的擴展，探測波長覆蓋400～

1 800 nm。電極結構優化采用互穿網絡設計增大量子點材料與電極之間有效接觸面積，填充因子提升至85%，進一步提高光電轉換效率。

2.4 器件穩定性提升

原位生長氧化物鈍化層使量子點在空氣中保持穩定運行超過3 000 h。多功能封裝材料的開發實現了水氧阻隔（封裝材料能夠有效阻止水分子和氧分子滲透到器件內部）與光學匹配（封裝材料保持適當透光性，不影響光線進入器件的光學性能）的統一，器件壽命延長至1 000 h以上。熱穩定性方面，通過引入交聯劑構建三維網絡結構，使器件在85 ℃的環境下可以保持穩定工作500 h以上。

機械穩定性優化采用柔性基底設計，器件在1 000次彎折測試后性能衰減小于5%。抗光照老化性能通過引入紫外屏蔽層得到提升，在AM1.5光譜的光照下可以穩定工作超過2 000 h。

3 量子點材料在光電探測器中的應用研究

3.1 光通信

量子點探測器在骨干光纖網絡中作為核心光電接收單元，利用PbS量子點材料實現1 550 nm通信波長的高速信號探測。多通道探測器陣列采用并行化設計，支持16路以上的波分復用信號同步接收，單通道傳輸速率達到100 Gbit/s，系統整體誤碼率控制在10-9以下。圖1為光通信示意圖。

光通信系統采用插拔式封裝方案，可實現量子點探測器模塊的快速更換，維護時間縮短至30 min以內。配套監控軟件可以實現鏈路質量的實時評估，通過自適應增益控制確保信號質量，光通信系統平均無故障運行時間超過10 000 h。

國盾量子科技股份有限公司聯合中國科學技術大學實現了量子密鑰分發與3.6 Tbit/s數據的商用經典光通信系統在骨干光纖網絡中的波分復用，共纖傳輸距離達66 km。這展示了量子點探測器在高速、長距離光纖通信中的卓越應用潛力，

3.2 醫學影像檢測

近紅外量子點探測器在醫學成像領域實現了多模態應用，采用PbS/CdS核殼結構量子點材料覆蓋800～1 700 nm的生物窗口波段。成像系統通過光纖掃描實現大面積組織成像，空間分辨率達到

50 μm，可對5 mm深度以內的軟組織進行光束穿透式無創成像檢測[3]。

成像系統集成熒光成像與光聲成像功能，實現多模態數據采集，智能圖像處理平臺采用深度學習算法完成病變區域的自動識別，早期腫瘤檢出率超過90%。山東大學孫寶清教授與高原教授團隊開發了一種基于量子點的單像素高光譜成像技術，能夠捕獲近紅外光譜范圍內的三維光譜空間信息[4]。

3.3 工業氣體監測

中紅外量子點探測系統采用碲化汞（HgTe）量子點陣列，可以實現波段為3～5 μm的氣體分子檢測，單點監測可同時分析8種以上的氣體組分。探測器陣列的像素為256×256，通過光譜成像技術實現污染物濃度分布可視化，空間分辨率達到30 μm。

智能監測平臺結合氣象數據實現污染物擴散預測，工業氣體監測系統響應時間控制在5 min以內。分布式監測網絡支持至少50個節點同步工作，覆蓋半徑達到5 km。數據分析中心通過深度學習算法實現泄漏源定位，定位精度優于100 m[5]。華中科技大學科研團隊構建了一種片上集成納米天線的量子點光電探測器，用于紅外氣體傳感。該探測器利用量子點陣列技術，實現了氣體分子的高靈敏度精準檢測和濃度分布可視化[6]。

3.4 智能安防

雙波段量子點探測器采用PbS與CdSe量子點陣列，實現可見光與近紅外的復合探測。智能安防系統通過光學變焦設計實現2 km的有效探測距離，視場角可以在5°～50°調節。圖像采集模塊支持幀率為60 fps的高速成像，配合運動補償算法實現高速目標捕獲。智能安防系統除硬件探測部分外，還配備專用的數據處理單元。其中，智能分析平臺采用邊緣計算架構，單節點可同時處理200路以上的視頻流。目標跟蹤算法結合人工智能技術可以實現多目標軌跡預測，識別準確率達到99%。系統支持分級報警策略，通過5G網絡實現毫秒級報警信息推送，有效提升了安防管理效率。此外，北京理工大學團隊開發了一種基于量子點的雙波段紅外光電探測器，實現可見光與紅外光的復合探測，該技術在智能安防系統中表現出色[7]。

4 結語

通過在材料設計、界面工程、光電轉換效率和器件穩定性等4個方面的創新與優化，量子點光電探測技術實現了突破，并在多個領域展現了良好的應用前景。本文通過系統分析量子點材料特性、光電探測關鍵技術及多領域應用實踐等，揭示了量子點光電探測器在光譜響應范圍、靈敏度和功能集成等方面的獨特優勢。未來，相關研究應解決量子點材料穩定性、器件集成度和成本等關鍵問題，進一步提升探測器性能指標。同時，推動產學研深度融合，加快科研成果轉化，促進量子點光電探測技術在更廣闊領域實現規模化應用。

參考文獻

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[2] 李宛勵，周鑫，孔繁林，等.InGaAs-Si基光電探測器異質集成技術研究進展[J/OL].激光技術，2024，1-18[2024-12-26]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1125.TN.20240925.1457.004.html.

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[4] 付雨娟. PbS混合量子點的研究及在光電探測器中的應用[D].西安：西安工業大學，2024.

[5] HEYAN M，YUAN G，XUHONG W，et al. Quantum dot-enabled infrared hyperspectral imaging with single-pixel detection[J]. Light： science amp; applications，2024，13（1）：1-10.

[6] CHEN P，MEI Y，LI Y H，et al. Nanoantenna integrated narrowband photodetector for infrared gas sensing[J]. Sensors and actuators： B. chemical，2024，417：136065.

[7] 李志，唐利斌，左文彬，等.中波紅外量子點材料與探測器研究進展[J]. 紅外技術，2023，45（12）：1263-1277.