“短波”苏大团队实现量子点半导体墨水新突破，助推高效短波红外光电的应用

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来源：DeepTech深科技

短波红外波段的波长范围处于 1 至 3 微米，因其支持生物医学成像、光通信、夜视等多种应用，一直是所在领域的研究前沿。

目前的短波红外技术主要使用铟镓砷和碲镉汞作为光敏材料，制备时需要在高温和真空下进行复杂的外延生长，这会增加制备短波红外器件的成本。因此，目前短波红外探测器和太阳能电池器件等短波红外器件，主要面向军工和高端行业应用。

近年来，随着人工智能、自动驾驶等领域的快速发展，人们对低成本的短波红外产品的需求越来越高。不仅如此，红外太阳能电池的发展，也对探索低成本短波红外光敏半导体材料提出了新的要求。

硫化铅胶体量子点是新一代的溶液加工半导体，其具有很强的量子限域效应，可以通过调整其带隙大小，来覆盖大部分的短波红外区域。因此，目前该材料已经成为制造短波红外光电器件的最具前景的候选材料之一。

然而目前硫化铅胶体量子点通常基于高温热注入反应合成，用油酸这类长烷基链表面活性剂作为表面配体，来控制其成核和生长过程。而油酸配体是相互绝缘的，必须通过非常复杂的配体交换才能构建半导体器件。该过程会增加短波红外光电器件的制备成本，并且难以批量化制备，进而阻碍其在低成本民用市场的大规模应用。

为了解决上述问题，近期，苏州大学团队设计了一种一步直接合成的方法，来制备低成本的硫化铅胶体量子点半导体墨水。通过该方法制备的墨水，不需要再进行配体交换处理就能直接用于光电子器件的制备。

然而，基于这种方法还不能获得吸收边超过 1100 纳米的大尺寸硫化铅量子点墨水。经过长时间的摸索，他们最终成功揭示了直接合成量子点墨水的详细反应过程。其发现，反应前驱体碘化铅需要在配位溶剂存在下才能解离成高配位的铅碘配合物，再与硫前驱体反应形成单体，并触发随后的成核和生长阶段。

所以，如果能够操控前驱体碘化铅在溶剂中的解离反应动力学，便能够实现量子点的尺寸调控。

图｜通过调控 PbI2 前驱体解离平衡，实现 PbS 量子点半导体导电墨水合成的尺寸调控（来源：Angewandte Chemie）

该团队调节了反应溶剂的配位强度和浓度，成功实现了硫化铅量子点墨水的尺寸调控，完成了对短波红外区域的覆盖。运用这种方法，他们制备了短波红外太阳能电池和光电探测器，都得到了比较优异的性能。

“这也证实了我们这个方法和传统方法相比，在成本、制备工艺和表面钝化方面都具有非常大的优势，对未来的产业化应用起到了非常大的促进作用。”苏州大学刘泽柯副教授表示。

Angewandte Chemie）

苏州大学博士研究生刘洋和硕士研究生高弋元为该论文的共同第一作者，苏州大学马万里教授和刘泽柯副教授担任论文的共同通讯作者。

据刘泽柯介绍，该方法由其所在的课题组独立开发，接下来，他们打算在此基础上，进一步拓宽光谱调控，包括进一步提高材料质量。同时，在器件性能方面，计划通过对器件的优化，进一步提升太阳能电池和光电探测器的性能。

“如果我们继续开展这项研究，应该可以很快将其推向应用。目前，已经有好几家知名公司都在开展短波红外量子点的光电转换应用研究，尤其是光电探测器。我们也想尽快推出我们的器件，打造具有独立知识产权的、具有独特性的半导体材料。”刘泽柯最后说。

参考资料：

1.Y., Liu, Y., Gao, Q., Yang. et al. Breaking the Size Limitation of Directly-Synthesized PbS Quantum Dot Inks Toward Efficient Short-wavelength Infrared Optoelectronic Applications. Angewandte Chemie 62, 17, e202300396.（2023） https://doi.org/10.1002/anie.202300396

运营/排版：何晨龙

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