半導體膠體量子點（QD）具有基于溶液制造、大規(guī)模且低成本的合成工藝，其獨特的量子限域效應可以實現(xiàn)從深紫外到中紅外（MIR）范圍內的寬帶光探測，因此成為光敏材料中最具備前途的候選材料之一。但量子點中存在大量缺陷，這會導致電荷遷移率低，不利于載流子的分離和轉移，從而降低了基于量子點的器件性能。與之相反，二維材料（2D），如石墨烯、黑磷（BP）和過渡金屬二硫化物（TMD）在這一方面的優(yōu)點相對明顯，如厚度依賴性帶隙，高電荷載流子遷移率，優(yōu)異的機械靈活性和兼容性等。但是由于二維材料的超薄特性，電阻和缺陷的影響放大，導致基于二維材料的光電探測器噪聲較大、響應慢。對于單純的基于2D材料的光電探測器而言，要同時實現(xiàn)超高響應率和超快時間響應是具有挑戰(zhàn)性的，而QD/2D材料異質結可以結合這兩種類型材料的優(yōu)勢，開拓了一種全新的可能性，為光電探測器的性能和應用領域開啟了嶄新的未來。

為了推動光電探測器向低成本、輕量化、高響應和高性能發(fā)展，電子科技大學王志明教授、童鑫研究員團隊綜述了近年來基于QD和2D材料異質結在光電探測器領域中的應用。相關研究成果以“Colloidal quantum dots and two-dimensional material heterostructures for photodetector applications”為題，發(fā)表于Electron期刊上。

這項研究主要討論了QD/2D材料異質結的獨特優(yōu)勢，并簡要介紹了基于QD/2D材料異質結光電探測器的結構分類、工作機制、材料制備方法和異質結構建方法。隨后還詳細討論了基于QD/不同2D材料異質結的光電探測器最新進展及其在光電突觸、人工視覺系統(tǒng)和可穿戴醫(yī)療健康方面的創(chuàng)新性應用。最后，簡要概述了該領域的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)。

器件的結構和工作原理

如圖1所示，光電探測器通常分為3種主要類型：光電導體（photoconductors）、光電晶體管（photodiodes）和光電二極管（phototransistors）。這3種基于QD/2D材料異質結的光電探測器具有不同的結構和不同的工作機制。通過了解這些區(qū)別，研究人員可以根據應用領域選擇合適的結構。

圖1 (A)典型基于QD/2D材料異質結的光電探測器的器件結構示意圖及其能帶圖；(A)和(D)光導體；(B)和(E)光電二極管；(C)和(F)光電晶體管。

制造工藝

通過原位和非原位方法，可以將QD集成到2D材料上，形成異質結。原位法是直接在二維材料表面生長量子點形成異質結，有利于QD與2D材料之間的電荷轉移。在非原位方法中，QD與2D材料的合成以及逐層組裝連接是獨立進行的，這類方法的優(yōu)點是可以獨立優(yōu)化量子點或二維材料，并且可以構建更清潔的界面。

圖2 (A)在石墨烯上原位生長量子點的示意圖；(B)分布在石墨烯上的量子點的TEM圖像；(C)量子點在MXene納米片上直接生長示意圖；量子點的合成方法分為(D)自上而下的方法，(E)自下而上的方法；量子點與二維材料結合在制備方法有(F)自旋鍍膜、(G)滴鍍膜；(H)噴涂；(I)噴墨打印

基于QD/2D材料異質結的光電探測器

QD/2D材料結合形成異質結已成為克服單個材料局限性和提高整體性能的有效策略。通過將QD與2D材料相結合，可以獲得以下幾個優(yōu)勢：第一，QD可以有效地吸收和利用光，彌補2D材料吸收光的不足。第二，異質結中的2D材料可以提供界面和通道，從本質上促進電荷傳輸，解決量子點的低遷移率問題。第三，QD的可調諧吸收波長特性可以彌補某些2D材料的有限響應帶，實現(xiàn)寬帶探測。

近年來，研究人員已經認識到QD/2D材料異質結在光電探測器應用中的潛力和優(yōu)勢，并積極探索和開發(fā)這種異質結。從QD/2D材料的選擇到優(yōu)化，包括尺寸控制、配體交換、摻雜和帶隙工程等，基于QD/2D材料異質結的量子點可以實現(xiàn)從可見光到短波紅外（SWIR）的光響應，具有微秒級的響應速度和優(yōu)異的室溫穩(wěn)定性。通過總結近幾年來的工作，這項研究綜述了基于QD/2D材料（主要包括石墨烯、過渡金屬硫化物和黑磷）結合的異質結的光探測技術。

（1）基于QD/石墨烯異質結的光電探測器

石墨烯由于其超寬光譜范圍(紫外到太赫茲)、高載流子遷移率、導電性和熱、化學穩(wěn)定性，被認為是光探測應用中最廣泛研究和最受青睞的二維材料之一。然而，厚度為0.335 nm的單層石墨烯僅吸收了2.3%的可見光至紅外波段的入射光，這一水平不足以進行光檢測。使用具有優(yōu)異光吸收特性的QD與石墨烯結合形成異質結是一種廣泛使用的用于提高光吸收效率的策略。根據響應光譜范圍，基于QD/石墨烯異質結的光電探測器通常分為紫外、可見光和紅外光響應光電探測器。利用摻雜、表面處理、能帶工程、界面工程等方法可以優(yōu)化QD和石墨烯，改善QD與石墨烯之間的電荷轉移，提高基于QD/石墨烯異質結的光電探測器性能。此外，當溫度低至80 K時，基于PbS QD/石墨烯異質結的光電探測器性能夠得到提升。

圖3 基于QD/石墨烯異質結的紫外和可見光電探測器示例

圖4基于QD/石墨烯異質結的紅外電探測器示例

（2）基于QD/TMD異質結的光電探測器

除石墨烯外，具有優(yōu)異光電性能和高遷移率的TMD也被廣泛用于光電探測器的制造。與零帶隙的石墨烯不同，2D TMD具有可調諧的帶隙，并且易于與其他材料結合構建異質結。據報道厚度超過1 nm的單層MoS?、MoSe?和WS?可以吸收5%-10%的入射陽光，這為TMD材料在光電子學領域的應用提供可能性。然而，大多數(shù)TMD材料僅適用于可見光范圍內的應用。為了克服這一限制，人們經常在TMD上集成QD來構建異質結,不僅擴寬了器件的光響應范圍，而且提高了光電探測器的性能。

此外，人們通過巧妙設計光電探測器的結構，以及采用不同的策略優(yōu)化了QD和TMD，探究其對光電探測器的影響。例如，將Al?O?層沉積到電極上，阻止了載流子直接從量子點層轉移到電極上，降低器件暗電流，有利于提高器件的響應度。利用能帶工程構建核殼結構QD，探究不同的殼材料對光電探測器性能的影響。此外，TMD的厚度對基于QD/TMD異質結光電探測器的性能會產生影響。甚至基于QD與雜化TMD材料異質結的光電探測器中會產生不同于單一2D材料的電荷傳輸路線，這為進一步優(yōu)化光電探測器帶來了新的可能性。

圖5 (A-I)基于QD/MoS?材料異質結的光電探測器示例；(J-L)探究基于相同QD的MoS?和WS?材料異質結的光電探測器示例

圖6 (A-D)基于p型摻雜的QD/WS?材料異質結的光電探測器示例；(E-H)基于QD/WSe?-WS?材料異質結的光電探測器示例

（3）基于QD/BP異質結的光電探測器

黑磷（BP）具有高載流子遷移率和0.4 eV-2.0 eV的可調帶隙，是有望替代石墨烯的一種有前景的光電探測器的二維材料。然而，BP因其在室溫條件下的不穩(wěn)定特性，使得它的光生載流子快速重組，并且其超薄厚度會導致吸光能力有限，最終，基于BP的光電探測器的整體性能低。為了克服這些缺陷，將QD與BP集成在一起構建異質結可以顯著提高BP基的光電探測器的性能。此外，采用表面處理的方法有效地解決BP不穩(wěn)定性問題，同時，QD的表面配體也會被更短的分子取代，這有利于QD和BP之間的電荷轉移，進一步提高基于QD/BP異質結的光電探測器的性能。

圖7 基于QD/BP異質結的光電探測器示例

（4）基于QD/其他二維材料的異質結的光電探測器

除了傳統(tǒng)的二維石墨烯、TMD和BP材料的研究外，一些新的二維材料也已經被開發(fā)用于通過集成QD層來建立異質結用于制造光電探測器。二維Bi?O?Se具有高載流子遷移率和優(yōu)異的室溫穩(wěn)定性，在可見光譜中具有優(yōu)異的響應度和探測率使其成為優(yōu)秀的光電探測器電荷傳輸材料的候選材料之一。然而， Bi?O?Se在近紅外區(qū)域的光吸收較弱，為了克服這個問題，利用具有近紅外響應的QD修飾2D Bi?O?Se，可以實現(xiàn)SWIR的光電探測。

此外，與傳統(tǒng)的二維層狀材料相比，人們對開發(fā)具有獨特特性的二維非層狀材料也越來越感興趣，例如二維非層狀硫化硒化鎘(CdS?Se???)，它在整個可見光譜范圍內具有出色的光學特性和可調的帶隙特性。這使其成為制造高性能光電探測器的一種非常有前途的材料。將全無機CsPbBr?鈣鈦礦量子點和2D非層狀CdS?Se???組成異質結應用在光電探測器上，形成內置電場，有效地實現(xiàn)了載流子分離，延長了載流子壽命，從而提高了復合光電探測器的性能。

基于異質結的QD/2D材料創(chuàng)新性應用

在基于QD/2D材料異質結的光電探測器領域，研究者們不斷創(chuàng)新和突破，通過攻克困難，進一步擴展基于QD/2D材料異質結的光電探測器領域，提升其性能和實現(xiàn)多樣化功能?；赒D/2D材料異質結的光電探測器已經在可穿戴醫(yī)療保健、生物突觸功能和人工視覺系統(tǒng)方面取得了突破性進展。

圖8 (A-D)基于QD/2D材料異質結的光電探測器模擬生物突觸功能示例；(E-G)基于QD/2D材料異質結的光電突觸型探測器模擬人工視覺系統(tǒng)示例；(H-I)基于QD/石墨烯異質結的光電探測器應用在可穿戴纖維示例

總結與展望

具有優(yōu)異光電特性的QD與2D材料（主要是石墨烯、TMD和BP）納米異質結在先進的光電器件中發(fā)揮著關鍵作用。QD具有出色的寬光譜吸收特性，并且2D材料可以提供具有高載流子遷移率的界面和通道。QD/2D材料異質結結合了QD和2D材料的優(yōu)點，為開發(fā)具有寬光譜、高性能的復合光電探測器提供了良好的前景。雖然基于QD/2D材料異質結的光電探測器已經取得了顯著的成就，但仍有一些關鍵的挑戰(zhàn)需要克服。相信通過開發(fā)新材料和優(yōu)化器件結構有利于光電探測器實現(xiàn)超高增益、從紫外到紅外波段的高響應度和高探測率。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/elt2.30