要点：应用于光纤的基于量子点的红外探测器。来源：Empa
运动探测器、自动驾驶汽车、化学分析仪和卫星有什么共同点？它们都包含红外 （IR） 光探测器。这种探测器的核心和读出电子设备通常由晶体半导体材料组成。
此类材料的制造具有挑战性： 它们通常需要极端条件，例如非常高的温度和大量能源。Empa 研究人员相信有一种更简单的方法。由纳米级界面运输实验室的 Ivan Shorubalko 领导的一个团队正在研究由胶体量子点制成的微型红外探测器。
对大多数人来说，“量子点”这个词听起来并不容易。Shorubalko 解释说：“材料的特性不仅取决于其化学成分，还取决于其尺寸。如果您生产某种材料的微小颗粒，它们可能具有与相同材料的较大颗粒不同的特性。这是由于量子效应，因此得名“量子点”。
由于发现和合成这些迷人的微小粒子，Moungi Bawendi、Louis E. Brus 和 Alexey Ekimov 于 2023 年获得诺贝尔化学奖。但是，虽然量子点背后的科学很复杂，但其简单性在于它们的处理。胶体量子点以溶液形式出现，可以通过旋涂或印刷应用于不同的材料，比传统半导体更便宜、更节能、更灵活。
从材料到工艺再到应用量子点在 Empa 已经有历史了。Maksym Kovalenko 在薄膜和光伏实验室的研究小组 10 多年来一直致力于从各种材料合成量子点。然后，Shorubalko 和他的团队将量子点集成在一起，生产出功能正常的电子元件，即所谓的设备，例如红外探测器。他们还与其他 Empa 专家一起研究量子点及其制成的器件的加工方法和进一步应用。
显微镜下的量子点红外探测器。图片：Empa。图片来源：瑞士联邦材料科学与技术实验室
一个例子：2023 年，Empa 研究人员成功地将由量子点制成的红外探测器打印到光学聚合物光纤上，这是传统红外探测器无法实现的。为了实现这一目标，设备专家 Shorubalko 和他的博士生 Gökhan Kara 不仅与材料专家 Kovalenko 合作，还与 Empa 薄膜和光伏实验室的印刷专家 Yaroslav Romanyuk 以及仿生膜和纺织品实验室的纤维专家 René Rossi 合作。研究人员于 2023 年在《先进材料技术》杂志上发表了他们的发现。
这项技术的一个可能应用是智能纺织品。“全球纺织品市场比消费电子产品市场更大、增长更快，”Shorubalko 说。特别是特种纺织品可以从灵活的红外探测器中受益，例如用于消防员的功能性服装或用于患者监测的医用纺织品。
然而，Shorubalko 也看到了时尚的巨大潜力。“如果探测器和其他电子元件体积小、价格低廉且易于制造，我们就可以使用它们来使我们的日常服装功能化。目前的技术根本不适合纺织品。
由于每个探测器都由许多尺寸仅为 5 纳米的量子点组成，因此可以制造非常小的红外探测器。在最近发表在《ACS Photonics》杂志上的一篇文章中，Shorubalko、Kara 以及他们在 Empa 和苏黎世联邦理工学院的同行描述了一种小于其测量光波长的探测器。这使研究人员能够记录红外光的其他特性，例如相位或干涉，从而使探测器更加通用。
无与伦比的速度接下来，Shorubalko 的目标是提高探测器的速度。例如，激光雷达需要快速红外探测器，激光雷达是一种基于光的距离检测技术，可帮助自动驾驶汽车找到自己的路，等等。“今天，激光雷达使用硅基红外探测器，它可以测量波长约为 905 纳米的红外光，”研究人员说。
问题：虽然这个波长是人眼看不见的，但在高功率下仍然是有害的。因此，激光雷达的激光器只能发出微弱的光，这限制了整个系统的范围。确实存在波长更长、更安全的探测器，但它们太昂贵，无法大规模使用。基于量子点的快速探测器可以提供一种替代方案，并实现强大、安全且具有成本效益的激光雷达系统。
那么，基于量子点的红外探测器何时上市呢？与大多数新技术和材料不同，在这种情况下不需要耐心。“量子点红外探测器已经在市场上上市，”Shorubalko 说。“我从未见过一项技术如此迅速地从实验室飞跃到市场。”
然而，研究人员的工作远未结束。他们现在的任务是使这项有前途的技术更快、更具成本效益、更灵活和更具可持续性。
更多信息：Gökhan Kara 等人，将混合 QD-石墨烯光电探测器缩放到亚波长尺寸，ACS Photonics（2024 年）。DOI： 10.1021/acsphotonics.3c01759
期刊信息： ACS Photonics ， Advanced Materials Technologies
