PbS膠體量子點的大面積柔性PPG信号探測器
研究背景
以铟镓砷、碲镉汞等外延生長的單晶材料作為吸光層的光電二極管是紅外探測技術的主流方案。然而，它們的剛性結構、極高成本以及有限尺寸使其無法滿足諸如人體内外環境監測，便攜式醫療等智能穿戴應用的需求。基于低溫液相工藝的硫化鉛膠體量子點（PbS CQD）紅外光電二極管是實作大面積柔性紅外光電探測器極具競争力的候選方案，但由于其發展年限較短，仍存在暗電流密度大、均勻性差以及工作穩定性差等問題。
研究内容及成果
唐江教授團隊針對大面積PbS CQD薄膜形貌差、均勻性差及器件穩定性差的核心問題，将聚合物聚酰亞胺（PI）引入鹵素鈍化的PbS CQD體系。引入PI後，CQD墨水的黏度增大，降低了薄膜退火過程中的溶劑揮發速率，使得薄膜緻密性提高，抑制了薄膜漏電流；同時聚合物長鍊的引入使得量子點間的空間位阻增大，極大地穩定了CQD墨水，使其能夠保持超過7天的穩定。通過路易斯酸堿配位，PI中的C=O官能團能夠補充鈍化CQD表面缺陷，實作更低的缺陷密度。通過電容-電壓、驅動級電容剖面測得引入PI後的CQD薄膜缺陷濃度降低了一個數量級。
基于優化後的CQD/PI薄膜，團隊進一步制備了PbS CQD/PI紅外光電二極管。與對照CQD器件相比，CQD/PI光電二極管具有較低的暗電流，和較低的缺陷密度，并且薄膜均勻性和器件工作穩定性得到了極大提高。CQD/PI光電二極管的LDR和−3dB帶寬分别大于100 dB和75 kHz。小面積(0.08 cm2)器件的D*為6.36 × 1012 Jones，而大面積(1 cm2)器件的D*高于1013 Jones，高于大多數報道的CQD光電探測器。
為了進一步展現PbS CQD/PI光電二極管的突出性能，團隊成果制備了基于PbS CQD/PI的大面積柔性紅外光電探測器，其在柔性基底上依舊表現出優異的光電性能及耐彎折特性。利用該柔性器件進行PPG信号測試以計算人體心率：将其固定于待測部位，如手指、手腕，利用導線引出上下電極并連接配接至半導體參數分析儀。該大面積柔性CQD/PI光電二極管能夠實作環境光下的PPG信号測試，與商用裝置相比極大降低了功耗及成本。
圖1. 高比探測率PbS CQD/PI光電二極管。(a)柔性PbS CQD光電二極管的結構示意圖及(b)截面掃描電鏡圖像；(c) −0.5 V偏壓下，不同含量PI的CQD器件的光/暗電流密度；(d)對照CQD器件和CQD/PI器件的電流密度-電壓曲線；(e)CQD/PI器件的暗電流密度-電壓曲線拟合；(f)通過C-V測量得到的對照CQD器件和CQD/PI器件的穩态電容；(g)C-V和DLCP測得的CQD/PI器件缺陷密度分布；(h)在−0.5 V偏壓下不同面積CQD及CQD/PI器件的暗電流密度。
圖2. 柔性大面積PbS CQD/PI器件性能及應用。(a)大面積柔性CQD/PI器件；在不同彎曲角度(b)和在不同彎曲周期(c)下的時域光響應；(d)PPG信号測試系統示意圖；(e)有效面積為0.089 cm2和1 cm2的CQD/PI光電二極管在環境光下測得的PPG信号。
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