[發明專利]基于量子點-碳納米管的紅外成像探測器及其制備方法

在審

• 申請號: 201410320148.3
• 申請日: 2014-07-07
• 公開（公告）號: CN104167451A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 劉旸;王勝;魏楠;彭練矛
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L31/0224
• 分類號: H01L31/0224;H01L31/18;H01L31/101
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

技術領域

本發明涉及紅外光探測器，具體涉及一種基于PbS量子點-半導體性碳納米管制備的紅外成像探測器，以及其制備方法。

背景技術

紅外光探測是在光探測領域中一個非常重要的方向，在科學領域以及工業、軍事應用中得到了廣泛的應用，包括監控、制造工藝控制、光通訊、生物以及軍事上的夜間探測等。基于各種材料的紅外光探測器目前是各國科學家的研究熱點。基于傳統半導體材料的紅外光探測器，盡管可以實現較高的量子效率以及低溫下良好的極限探測性能，并且可以達到很高的探測度和很快的響應速度，但是由于技術難度大，工藝復雜，價格較高，難以更大規模應用，尤其在室溫條件下的高性能寬譜紅外探測器一直未能得到較好實現。

新型的低維材料展現了獨特的電學和光學特性，其中，零維材料量子點和一維材料碳納米管引起了廣泛的重視和研究。量子點在三個維度上可以做到納米尺度，展現了良好的量子限制效應，使得量子點材料與其體材料相比表現出了截然不同的性質。通過量子限制效應可以調節量子點的吸收光譜，使得量子點的光吸收從可見光到紅外波段。尤其是PbS等近紅外量子點引起了廣泛的重視。通常來說，溶液法合成的量子點外面包覆有油酸等分子鏈，一方面可以起到控制量子點生長大小的作用，另一方面鈍化量子點表面，防止其氧化。然而，合成的量子點外面包覆的～2.5nm長的油酸分子鏈作為勢壘會阻擋載流子在薄膜當中的移動。在傳統的量子點構建的探測器當中，油酸等較長的分子鏈需要被替換成胺類或者硫醇類等具有較短的分子鏈的有機物，才能夠增加量子點薄膜器件的遷移率。這樣的去鏈過程需要多次的離心和沉淀，僅僅是在實驗室階段的方法，并且加大了工藝的復雜性和增加了成本，更為嚴重的是，這樣的去鏈過程會導致量子點的團聚，使得制備的器件不能穩定存在，這嚴重的限制了量子點光探測器的實際應用，也成為困擾量子點材料實際應用的瓶頸。

相反，碳納米管具有優異的電學性能，碳納米管在室溫下具有很高的電子和空穴遷移率，使得碳管可以作為性能優良的導電溝道材料。半導體性碳納米管是直接帶隙的材料，具有對稱的能帶結構，并且碳管的帶寬大小與其直徑成反比關系，而碳管的直徑可以在大范圍內進行調控，使得碳納米管與量子點之間能夠進行能帶匹配，從而大大拓寬了這種復合材料體系的應用。

早期量子點和碳納米管復合體系的研究僅僅局限于量子點和一根碳納米管之間的研究，這并不能構建真正意義上的紅外光成像探測器陣列。碳納米管提純技術的發展使得半導體性碳納米管的純度可以達到99％，并且自組裝方法的應用可以獲得大面積的碳管薄膜，使得碳管薄膜器件可以進行大規模加工和應用。這為構建量子點-碳納米管復合材料的光探測器提供了基礎。尤其重要的一點是因為碳納米管具有獨特的能帶結構，半導體性碳納米管同時具有近乎完美的電子型接觸金屬鈧(Sc)【Z.Y.Zhang,X.L.Liang,S.Wang,K.Yao,Y.F.Hu,Y.Z.Zhu,Q.Chen,W.W.Zhou,Y.Li,Y.G.Yao,J.Zhang,and?L.-M.Peng,Nano?Letters7(12)(2007)3603】和金屬釔(Y)【L.Ding,S.Wang,Z.Y.Zhang,Q.S.Zeng,Z.X.Wang,T.Pei,L.J.Yang,X.L.Liang,J.Shen,Q.Chen,R.L.Cui,Y.Li,and?L.-M.Peng,Nano?Letters9(2009)4209】，以及空穴型接觸金屬Pd【A.Javey,J.Guo,Q.Wang,M.Lundstrom,H.J.Dai,Nature424(2003)654】。

申請人先前在單根半導體碳納米管兩端分別采用Pd和Sc接觸電極已經成功制備出高性能的光電二極管【S.Wang,L.H.Zhang,Z.Y.Zhang,L.Ding,Q.S.Zeng,Z.X.Wang,X.L.Liang,M.Gao,J.Shen,H.L.Xu,Q.Chen,R.L.Cui,Y.Li?and?Lian-Mao?Peng,J.Phys.Chem.C113(2009)6891】，這種結構的光電二極管具有較好的光電轉換特性。但作為紅外光探測器的應用而言，基于這種結構的單根碳納米管的紅外探測器的一個明顯的缺點是輸出光電流太小，探測器的電流響應度和探測率低，無法滿足實際的弱光探測需要，這主要是由于單根碳納米管材料的對入射光相對較小的光吸收面積。

量子點由于量子限制效應具有較強的光吸收，并且溶液法制備的量子點可以大量獲得，制備方便，價格便宜。盡管碳納米管的光吸收系數很大，但是高純度高密度的半導體性碳納米管平行陣列難以獲得，所以并沒有實現基于碳納米管單一材料的高性能探測器件。