光与电
光电探测器的原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。光电探测器在军事、医疗及其他领域有广泛用途。例如，在医学诊断中，通过光电探测器来实现热成像；在照相机和其他成像器件中，光电探测器可感知光子图案，并根据这些图案创造图像；在夜视镜中，通过光电探测器来感知肉眼不可见的热辐射。
背景
全色光电探测器不需要复杂的滤色器和干涉光学就可以将光转换成电信号，因此得到了广泛的关注。然而，技术难题一直阻碍着科学家在实践中使用多光谱半导体的同时提高光子转移效率来开发高性能的光电子器件。
研究概况
最近的一项研究报告显示，由美国和韩国共同组建的材料科学和工程研究团队研制出了一种低温制造（150摄氏度）的、二维（2-D）像素化的全色光电探测器，它是由与非晶态铟镓锌氧化物半导体耦合的量子点单片集成。
QD/AOS混合光电晶体管器件结构示意图
通过引入螯合型金属/半导体配体，成功地实现了高效的载流子传输和无光阻的2-D层精细图案化。这些成分在广泛的波长范围内表现出了极高的光探测率和光响应率。与单一或窄带光电探测相比，二维全色光电探测在获取可靠而全面的信息方面具有显著优势。
基于这些技术，研究小组在类似皮肤的柔性材料上实现了波长可区分的光电晶体管电路阵列，作为一种多功能和可扩展的方法，这项技术可以用于宽光谱图像传感器和生物设备。例如，神经形态图像传感器、柔性机器人和生物健康监视器。
技术细节
为了克服现有的二维全色器件制造的挑战，研究人员首先开发了具有新的光敏材料的光探测器，以形成用于宽带光检测的器件结构。涉及的材料包括胶体量子点、无定形氧化物半导体(AOSS)、有机半导体、钙钛矿材料和二维材料，如石墨烯和过渡金属二卤化物。
虽然胶体量子点（QDs）由于其独特的光电特性（包括宽带隙可调谐和增加光吸收系数）已经受到人们的关注，但很少有研究者将其与高灵敏度全色光探测应用联系在一起。
量子点光电晶体管的光电机理
在这项新的研究中，研究者开发了一种多用途、大面积可扩展的方法，以将光电探测器的探测带宽扩展到从紫外到红外的全色域。通过使用单片集成量子点与非晶铟镓氧化锌（A- IGZO）基薄膜晶体管（TFT）来实现低温2-D像素电荷集成电路（CIC）阵列的颜色辨别。为了实现超高的光电探测性能，他们还引入了一种电性能较高的螯合硫氨酸配体（金属和半导体的组合配体）用于量子点（QDs）。研究还通过直接光刻获得了多个QD层的高分辨率图像，并展示了它们的像素化光电晶体管，形成了能够进行位置相关全色光检测的皮肤状二维光电探测器。
为了实现高灵敏度的全色光电探测，研究小组采取了两种策略：（1）他们设计了高灵敏度的光电探测器结构和像素内电路；（2）将QDS与A- IGZO（铟镓氧化锌）有源层结合，用于全色光吸收和高效电荷收集。他们在超薄聚酰亚胺（PI）衬底上设计了柔性光电探测器。然后利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）证实了量子点在a-IGZO层上的堆积，以及量子点层的均匀分布。为了探测全色范围，研究小组在a-IGZO层上加入了不同带隙的QD层。
技术优势
此前，科学家们已经将半导体量子点嵌入到一些光电器件中，但电荷传输经常受到连接量子点的配体的限制。为了提高器件的电荷转移效率，他们研究了导电配体，包括乙二硫醇、硫氰酸盐和原子配体。目前的研究团队选择Sn2S64作为各种Chalcometallate配体的理想体系，并选择基于SCN配体的量子点作为参考，因为它们在电子器件中具有较高的导电性和迁移率。
量子点与AOS层之间的界面性质
在实验装置中，SCN封端的量子点容易在量子点表面分解形成硫空位，阻碍量子点与a-IGZO层之间的有效电荷转移。相比之下，双齿（向金属原子提供两对电子）Sn2S64配体在量子点表面上的硫空位最少。因此，Sn2S64封端量子点的光生电子有效地转移到a-IGZO层的导带中。
科学家们通过各种光谱分析，包括界面陷阱相关噪声分析和扫描光电流显微镜（SPCM），研究了QD/a-IGZO光晶体管的光学响应特性。他们注意到SCN封端的硒化镉（硒化镉）的捕集密度比未经修饰的硒化镉量子点的陷阱密度高103倍左右。Sn2S64封端的光电晶体管显示出一个大的高斯电流分布和光伏主导的过程，而SCN封端的光电晶体管则显示出明显的光电热电响应。
QD/AOS混合光电晶体管的光电性能
研究小组通过比较两种光晶体管在白光和宽带光照下的光敏性和光电探测性，证明了Sn2S64封端光晶体管的高光响应能力，并进一步记录了从0.27秒到90毫秒的较小的光响应，足以用于光探测和图像传感应用。
应用前景
CIC阵列的全色识别特性
为了演示皮肤状全彩色光电探测器的可能应用，研究者在聚酰亚胺（PI）衬底上制备了10X10多路复用QD/a-IGZO光电探测器阵列，获得了大量的波长相关数据。在五种不同光源（红外、红色、绿色、蓝色和紫外线）照射下从光电探测器阵列获得的输出电流映射到相应的光源，其中大多数像素显示出空间均匀的电流分布。
同时，研究者将该装置用于生物应用，并通过测量穿过毛细血管的不同波长的光来监测食指的血氧饱和度水平，得到的不同光源的二维图像数据显示了不同波长下的比透过率。这一结果证明了，该技术有望成为医疗监测或诊断系统的关键性进展。
总结
这一新研究突破了现有技术的局限性，研制出的用于从紫外到红外的全色域光电检测的柔性光电探测器，凭借其波长分辨能力为光探测器件和电子学开辟了新的前景，为各种生物成像应用提供了一条便捷的路径。
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