红外成像技术最开始起源于军用，后来逐渐转飞入寻常百姓家，在机器视觉、安防和生物成像等新兴领域大有用途，目前电子消费品领域广泛使用了该技术，尤其是手机夜间拍摄。
传统红外成像仪由光电探测器+硅基读出集成电路组成，这两部分互联时需要复杂且苛刻的工艺，导致成本大、大规模生产困难，要想在智能手机等消费电子产品中使用，就得探索低成本的新材料、新方法、新工艺。
2022年6月16日，华中科技大学唐江教授团队在Nature Electronics 期刊上发表文章：A near-infrared colloidal quantum dot imager with monolithically integrated readout circuitry。
这个工作除了华科团队，还受到了海思（华为）公司的支持。如下图，他们制备出了国内首款硫化铅胶体量子点红外成像芯片。
这个工作采用了溶液可制备的PbS胶体量子点做为红外光的响应材料，这和商用的InGaAs、InSb、HgCdTe光电探测器相比制备更加简单、成本低、且带隙可调，下图中的PbS量子点光谱响应范围为400-1300 nm。
难题：传统的PbS量子点器件是从底部入射光，这种器件结构不适配硅基读出集成电路，因为其耗尽区远离入射光，导致器件外量子效率低。
解决：为了实现顶部入射光的有效吸收和信号采集，设计出了下图红外成像仪结构：将光敏量子点红外器件直接集成到读出集成电路上，顶部采用透明导电氧化物，这样还避免了繁琐的互联工艺。通过模拟和实验优化，使得耗尽区靠近入射光，提高载流子的分离与收集效率，从而提升器件性能。
问题：上述顶部入射的量子点光电二极管性能较差，这可能是由于在顶部沉积高质量的透明电极时，容易破坏底部脆弱的量子点层。
解决：由于在ZnO溅射过程中会破坏PbS活性层，作者引入 C60界面钝化层来降低界面缺陷，经过对C60层的精心优化，NiOx/PbS/C60/ZnO光电二极管显示出良好的光响应，缺陷浓度降低至2.3×1016 cm−3。该量子点光电探测器室温探测率为2.1×1012Jones，外量子效率为63%，-3dB带宽为140kHz，线性动态范围超过100dB。
基于上述最优器件，创建了大型近红外成像仪（640×512像素），其空间分辨率为40 lp/mm，调制传递函数为50%，具有可与商用 InGaAs 成像芯片媲美的效果。
如下图，拍摄苹果，发现PbS成像仪捕捉红外图像的能力弥补了硅成像仪难以识别的额外信息；与商用InGaAs相比，PbS红外成像仪在静脉边缘的灰度变化更明显、更清晰，在静脉成像方面显示出更大的应用潜力；PbS红外成像仪在水和乙醇的鉴别方面优于InGaAs成像仪。
这个工作开创了国内量子点红外成像芯片的先河，量子点波长可调，可以做出波长可调的红外探测芯片，未来大有可为！
唐江，华中科技大学武汉光电国家研究中心教授，博士生导师，光学与电子信息学院院长，科睿唯安高被引作者。一直从事新型光电转换材料与器件研究，发表学术论文200余篇，其中以第一或者通讯作者身份发表Nature 1篇，Nature Photonics 3篇，Nature Materials 和Nature Energy 各1篇，被引用25000余次；授权中国发明专利30余项。目前的主要研究方向是量子点红外探测芯片、卤素钙钛矿X射线探测器、卤素钙钛矿发光材料与器件、硒化锑薄膜太阳能电池，每个方向都硕果累累！
1. https://doi.org/10.1038/s41928-022-00779-x
2. https://mp.weixin.qq.com/s/UMNyGUWC9sLma86QaRicjg
3. http://tfsc.wnlo.hust.edu.cn/info/1041/1063.htm
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