Small Structures: 基于量子点的光子器件和系统的最新进展

近年来,随着物联网相关技术的发展,研究者开发了各种传感器和微电子器件,集成在与周围环境相互作用的各种平台中,而光子技术在高性能传感器设备中的应用引起了研究者的额外关注。特别是基于低维纳米材料的多功能光电探测器,已经可以满足复杂的环境条件和数据处理的需求,以运用于各种新兴的场景,例如软机器人、生物医学设备和神经形态计算硬件,并提供可靠的信息。半导体量子点因其出色的光吸收系数、宽带隙可调性、结构稳定性以及高通量生产能力(例如低成本、大面积和兼容CMOS的溶剂加工法)而成为光子技术应用最有前途的候选者之一。

来自韩国中央大学的Sung Kyu Park课题组及合作者针对这一领域进行了综述,讨论了量子点材料、器件和应用的情况,并讨论了量子点材料与其他种类半导体进行集成,将混合器件用于高性能可穿戴光电探测器、神经形态设备等的潜力。相关结果发表在Small Structures (DOI: 10.1002/sstr.202000024)上。

量子点(QDs)是可溶液加工的纳米级半导体晶体,本文首先介绍了用于光学器件的QDs的材料设计原则,例如构成量子点的元素组合以及表面配体的选择。因为QDs具有独特的物理和光学性质,例如尺寸可调、窄发射波长、卓越的光相应性质和光稳定性,可以被运用在多种光电器件中。作者从器件的角度,讨论了各种光子器件的结构以及性能,例如基于量子点的发光器件、光电二极管、光导体、光电晶体管、太阳能电池以及存储设备。此外,作者还介绍了将量子点器件与CMOS进行集成,构建图像或生物传感器,并应用于柔性/可穿戴器件的潜力。

在文末,作者给出了推进量子点用于光子器件的一些前瞻性的观点。比如,QD薄膜容易受到外部环境因素的影响,因此需要探索有效的钝化技术来改善器件的光电性能和环境稳定性。同时,为了减少这些应用对环境的影响,应该尽可能避免使用有毒的重金属基量子点(如铅、汞和镉)。而为了实现量子点光子器件的产业化应用,仍需要开发更有效的制造工艺来实现大面积的工业生产,并实现与CMOS技术的兼容。