近日，湘潭大學(xué)湖南先進傳感與信息技術(shù)創(chuàng)新研究院曹覺先教授和黃凱教授團隊在納米材料領(lǐng)域國際著名期刊《美國化學(xué)學(xué)會—納米》（ACS Nano，IF=18.027）在線發(fā)表了題為“碳納米管晶體管結(jié)合膠體量子點光敏柵極的高外量子效率光電探測器”（Carbon Nanotube Transistor with Colloidal Quantum Dot Photosensitive Gate for Ultra-High External Quantum Efficiency Photodetector）。論文第一作者為研究院2020級博士研究生韓建富，曹覺先教授和黃凱教授為共同通訊作者，湘潭大學(xué)為論文的第一單位。

PbS膠體量子點是開發(fā)下一代高性能近紅外光電探測器的有力候選者。然而，由于配體隔離以及表面缺陷的存在，PbS量子點通常表現(xiàn)出低的載流子遷移率，這限制了量子點光電子器件性能的進一步提升。針對這一問題，曹覺先教授和黃凱教授團隊通過合理的設(shè)計，將PbS膠體量子點光電二極管和碳納米管薄膜場效應(yīng)晶體管成功結(jié)合，實現(xiàn)了一種具有光敏感柵極的晶體管型近紅外探測器。光生電子與空穴在負(fù)柵壓與內(nèi)建電場的雙重作用下能快速分離與轉(zhuǎn)移，聚積在柵極電介質(zhì)層界面的光生電子能產(chǎn)出等效柵電容效應(yīng)開啟碳基晶體管，從而實現(xiàn)光信號向電信號的轉(zhuǎn)換。該項研究提出在光電轉(zhuǎn)換器件中光學(xué)模塊和電學(xué)模塊相互分離的結(jié)構(gòu)，可以同時發(fā)揮PbS量子點光學(xué)和碳納米管電學(xué)的優(yōu)勢。

該文報道的光電探測器在950 nm近紅外光下的響應(yīng)度和探測率分別為41.9 A/W和3.04×1011Jones。更重要的是，由于碳基場效應(yīng)晶體管的放大功能，通過二次電子的增益效應(yīng)，該器件的外量子效率（EQE）達(dá)到5470%。此外，器件還展現(xiàn)出靈活可調(diào)的光響應(yīng)，通過柵電壓可在大的范圍內(nèi)控制調(diào)節(jié)響應(yīng)性能參數(shù)。本文中光電探測器的獨特結(jié)構(gòu)和出色性能，為下一代光電探測器件的研究與開發(fā)提供了新的思考。論文得到了國家重點研發(fā)計劃項目以及湖南省教育廳重點項目的資助。

探測器陣列∣單光電探測器結(jié)構(gòu)∣探測機理∣器件響應(yīng)度與外量子效應(yīng)

湖南先進傳感與信息技術(shù)創(chuàng)新研究院成立于2018年，由湘潭大學(xué)與北京大學(xué)合作共建，是集人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化于一體，治理結(jié)構(gòu)完善、運行機制靈活、有別于現(xiàn)有機構(gòu)的“實驗區(qū)”。研究院團隊由中國科學(xué)院彭練矛院士領(lǐng)銜，包括國家優(yōu)青、青年拔尖人才、青年千人等在內(nèi)的11名學(xué)術(shù)帶頭人、5名教授、2名副教授、12位優(yōu)秀博士、14名實驗室工程技術(shù)人員、100余名博士及碩士研究生。圍繞碳基集成電路和新型傳感器為代表的新一代信息技術(shù)領(lǐng)域，團隊在唐氏綜合癥篩查、肝癌檢測、無創(chuàng)血糖監(jiān)測等生物傳感和甲烷、氫氣、甲醛等氣體傳感器件及其相關(guān)技術(shù)方面取得重要成果，并已研制全球首條碳基傳感器芯片小試線，推進相關(guān)核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02064