短波紅外波段的波長(zhǎng)范圍處于 1 至 3 微米，因其支持生物醫(yī)學(xué)成像、光通信、夜視等多種應(yīng)用，一直是所在領(lǐng)域的研究前沿。

目前的短波紅外技術(shù)主要使用銦鎵砷和碲鎘汞作為光敏材料，制備時(shí)需要在高溫和真空下進(jìn)行復(fù)雜的外延生長(zhǎng)，這會(huì)增加制備短波紅外器件的成本。因此，目前短波紅外探測(cè)器和太陽(yáng)能電池器件等短波紅外器件，主要面向軍工和高端行業(yè)應(yīng)用。

(相關(guān)資料圖)

近年來(lái)，隨著人工智能、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的快速發(fā)展，人們對(duì)低成本的短波紅外產(chǎn)品的需求越來(lái)越高。不僅如此，紅外太陽(yáng)能電池的發(fā)展，也對(duì)探索低成本短波紅外光敏半導(dǎo)體材料提出了新的要求。

硫化鉛膠體量子點(diǎn)是新一代的溶液加工半導(dǎo)體，其具有很強(qiáng)的量子限域效應(yīng)，可以通過(guò)調(diào)整其帶隙大小，來(lái)覆蓋大部分的短波紅外區(qū)域。因此，目前該材料已經(jīng)成為制造短波紅外光電器件的最具前景的候選材料之一。

然而目前硫化鉛膠體量子點(diǎn)通常基于高溫?zé)嶙⑷敕磻?yīng)合成，用油酸這類長(zhǎng)烷基鏈表面活性劑作為表面配體，來(lái)控制其成核和生長(zhǎng)過(guò)程。而油酸配體是相互絕緣的，必須通過(guò)非常復(fù)雜的配體交換才能構(gòu)建半導(dǎo)體器件。該過(guò)程會(huì)增加短波紅外光電器件的制備成本，并且難以批量化制備，進(jìn)而阻礙其在低成本民用市場(chǎng)的大規(guī)模應(yīng)用。

為了解決上述問(wèn)題，近期，蘇州大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種一步直接合成的方法，來(lái)制備低成本的硫化鉛膠體量子點(diǎn)半導(dǎo)體墨水。通過(guò)該方法制備的墨水，不需要再進(jìn)行配體交換處理就能直接用于光電子器件的制備。

然而，基于這種方法還不能獲得吸收邊超過(guò) 1100 納米的大尺寸硫化鉛量子點(diǎn)墨水。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的摸索，他們最終成功揭示了直接合成量子點(diǎn)墨水的詳細(xì)反應(yīng)過(guò)程。其發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)前驅(qū)體碘化鉛需要在配位溶劑存在下才能解離成高配位的鉛碘配合物，再與硫前驅(qū)體反應(yīng)形成單體，并觸發(fā)隨后的成核和生長(zhǎng)階段。

所以，如果能夠操控前驅(qū)體碘化鉛在溶劑中的解離反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，便能夠?qū)崿F(xiàn)量子點(diǎn)的尺寸調(diào)控。

圖｜通過(guò)調(diào)控 PbI2 前驅(qū)體解離平衡，實(shí)現(xiàn) PbS 量子點(diǎn)半導(dǎo)體導(dǎo)電墨水合成的尺寸調(diào)控（來(lái)源：Angewandte Chemie）

該團(tuán)隊(duì)調(diào)節(jié)了反應(yīng)溶劑的配位強(qiáng)度和濃度，成功實(shí)現(xiàn)了硫化鉛量子點(diǎn)墨水的尺寸調(diào)控，完成了對(duì)短波紅外區(qū)域的覆蓋。運(yùn)用這種方法，他們制備了短波紅外太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器，都得到了比較優(yōu)異的性能。

圖丨短波紅外 PbS 量子點(diǎn)光電器件結(jié)構(gòu)及性能（來(lái)源：Angewandte Chemie）

“這也證實(shí)了我們這個(gè)方法和傳統(tǒng)方法相比，在成本、制備工藝和表面鈍化方面都具有非常大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用起到了非常大的促進(jìn)作用。”蘇州大學(xué)副教授表示。

圖丨劉澤柯（來(lái)源：）

2023 年 2 月 27 日，相關(guān)論文以《突破直接合成 PbS 量子點(diǎn)半導(dǎo)體墨水的尺寸限制，推動(dòng)高效短波紅外光電應(yīng)用》（）為題在 Angewandte Chemie上發(fā)表 [1]。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Angewandte Chemie）

蘇州大學(xué)博士研究生劉洋和碩士研究生高弋元為該論文的共同第一作者，蘇州大學(xué)教授和副教授擔(dān)任論文的共同通訊作者。

圖丨馬萬(wàn)里（來(lái)源：）

據(jù)介紹，該方法由其所在的課題組獨(dú)立開發(fā)，接下來(lái)，他們打算在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓寬光譜調(diào)控，包括進(jìn)一步提高材料質(zhì)量。同時(shí)，在器件性能方面，計(jì)劃通過(guò)對(duì)器件的優(yōu)化，進(jìn)一步提升太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器的性能。

“如果我們繼續(xù)開展這項(xiàng)研究，應(yīng)該可以很快將其推向應(yīng)用。目前，已經(jīng)有好幾家知名公司都在開展短波紅外量子點(diǎn)的光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用研究，尤其是光電探測(cè)器。我們也想盡快推出我們的器件，打造具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、具有獨(dú)特性的半導(dǎo)體材料?！弊詈笳f(shuō)。

參考資料： 1.Y., Liu, Y., Gao, Q., Yang. et al. Breaking the Size Limitation of Directly-Synthesized PbS Quantum Dot Inks Toward Efficient Short-wavelength Infrared Optoelectronic Applications. Angewandte Chemie62, 17, e202300396.（2023） https://doi.org/10.1002/anie.202300396 運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍