量子點(diǎn)紅外成像技術(shù)概念

量子點(diǎn)（Quantum dots，QDs）是具有尺寸可調(diào)特征的1-20nm的半導(dǎo)體納米晶體，在可見光和紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的光吸收和明亮的窄帶****。

膠體量子點(diǎn)（Colloidal quantum dot，CQDs），量子限域效應(yīng)明顯，液相加工工藝使得其可以與硅基讀出電路進(jìn)行直接片上耦合，紅外成像器件通過集成探測(cè)紅外光子的紅外探測(cè)器和激發(fā)可見光子的發(fā)光二極管，利用器件內(nèi)光-電-光的線性轉(zhuǎn)換過程，避免了讀出電路和復(fù)雜的電信號(hào)處理過程，能夠直接可視化紅外圖像。

量子點(diǎn)的特性可以通過顆粒大小、材料和成分進(jìn)行調(diào)整。量子點(diǎn)材料包括：Cd（鎘）基、In（銦）基、PbS（硫化鉛）、Perovskite（鈣鈦礦），以及新興的CuInS2（硫銦銅）、InAs（砷化銦）、ZnTeSe（硒鎘汞）。它們具有不同的帶隙，因此具有不同的吸收和****光譜的能力。

在性能與InGaAs芯片相當(dāng)?shù)那疤嵯拢诹孔狱c(diǎn)的成像芯片的成本不到其1%，有望實(shí)現(xiàn)短波紅外成像在消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域的應(yīng)用。

量子點(diǎn)紅外成像技術(shù)發(fā)展歷史

?光電導(dǎo)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)于1873年的海底電纜絕緣層實(shí)驗(yàn)。1917年，第一個(gè)紅外光電導(dǎo)探測(cè)器被研制出來。

?1981年和1983年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Alexei Ekimov和美國(guó)科學(xué)家Louis Brus分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體納米顆粒的量子尺寸效應(yīng)。

?量子點(diǎn)在光電探測(cè)中的首次嘗試是在 1992 年，當(dāng)時(shí)膠體量子點(diǎn)被視為絕緣膠體，作為一種感光劑應(yīng)用于電子照相技術(shù)中。

?1993年，美國(guó)麻省理工學(xué)院Moungi G. Bawendi教授帶領(lǐng)的研究小組終于取得了重大突破。他們利用熱注入合成法，成功合成了單分散納米粒子，為量子點(diǎn)的大規(guī)模應(yīng)用開發(fā)打開了大門。

?1998 年，量子點(diǎn)紅外探測(cè)器（QDIPs）首次被論證。

?2003年，“固態(tài)配體交換”的方法被提出，為膠體量子點(diǎn)在光電探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。

?2005年，多倫多大學(xué)Edward H. Sargent教授發(fā)表了第一篇短波紅外膠體量子點(diǎn)混合光探測(cè)器。2009年，西門子和奧地利林茨大學(xué)合作研發(fā)出PbS膠體量子點(diǎn)探測(cè)器。至此開始 PbS CQD 探測(cè)器的研究在近十年的時(shí)間內(nèi)成為該研究領(lǐng)域的新寵。

?2017年，西班牙光子中心的Stijn Goossens課題組通過使用石墨烯及PbS量子點(diǎn)晶體管結(jié)構(gòu)，完成了近紅外焦平面陣列制備，陣列規(guī)模388×288，像元間距35μm。

?2022年，華中科技大學(xué)報(bào)道了一種基于PbS量子點(diǎn)的近紅外焦平面陣列，并展示了940nm光照下的成像效果。

?近年來具有優(yōu)異光電性能的量子點(diǎn)材料在硅基探測(cè)器的集成中已經(jīng)有了一定的成果，為硅基探測(cè)器性能的提升提供了新的思路。雖然量子點(diǎn)增強(qiáng)硅基探測(cè)器已經(jīng)收獲較好的效果，但仍存在一些機(jī)遇與挑戰(zhàn)。例如專用材料缺乏，存在集成工藝問題以及需要開發(fā)與之匹配的先進(jìn)的成像算法等。

量子點(diǎn)紅外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、中美是量子點(diǎn)紅外成像領(lǐng)域的主要目標(biāo)市場(chǎng)國(guó)

紅外成像技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，而量子點(diǎn)紅外成像將極大地?cái)U(kuò)展其應(yīng)用可能，近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

根據(jù)相關(guān)專利數(shù)據(jù)（申請(qǐng)年2005以后），將量子點(diǎn)應(yīng)用于紅外探測(cè)的技術(shù)從2005開始興起，最早開始布局且為該領(lǐng)域TOP1的申請(qǐng)人InVisage公司，隨后呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)；2011年左右數(shù)量激增，在2019-2020年左右，部分歐美相關(guān)技術(shù)企業(yè)已經(jīng)完成專利布局，專利申請(qǐng)數(shù)量略有下降。

隨著中國(guó)加入該項(xiàng)技術(shù)的投入和研究中，該領(lǐng)域的中國(guó)申請(qǐng)人近幾年的相關(guān)專利布局量整體呈現(xiàn)較為明顯的增長(zhǎng)，說明該領(lǐng)域的主要申請(qǐng)人仍十分注重該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和專利布局。

圖1：申請(qǐng)人排名分析

該領(lǐng)域中，國(guó)外申請(qǐng)人擁有較多早期專利申請(qǐng)，相對(duì)國(guó)內(nèi)具備一定的領(lǐng)先能力。