研究背景：

短波红外（SWIR）光电探测器在环境监测、自动驾驶和成像系统等领域具有广泛应用潜力。传统材料如砷化铟镓（InGaAs）成本高、制备复杂，而硫化铅（PbS）量子点（QDs）因其可调带隙和宽光谱吸收特性，成为低成本解决方案的理想候选。然而，PbS量子点的高比表面积易导致表面缺陷和不稳定性，尤其在大尺寸量子点中，(100)晶面存在未饱和硫原子，形成陷阱态，降低器件性能。

文章概述：

深圳技术大学陈威、唐浩东、郝俊杰课题组团队与湖北大学李以文课题组联合报道了一种通过三辛基膦（TOP）配体介导的表面重构策略，显著提升了PbS量子点基SWIR光电二极管的性能。该研究显示，TOP处理可优化量子点表面形态、减少陷阱态，并增强薄膜中的量子点堆叠行为。基于TOP处理量子点的器件在1290 nm波长下实现了2.07 × 10¹¹ Jones的比探测率，比传统量子点器件提高50倍，同时暗电流密度降至237 nA cm^-2（-0.5 V偏压），且器件在非封装条件下存储稳定性显著改善。

研究通过TOP处理移除PbS量子点(100)晶面的不稳定硫原子或钝化硫悬键，从而减少表面缺陷。如文档中示意图1所示，TOP诱导的表面重构有助于后续溶液相配体交换过程，提升量子点固体的均匀性。

示意图1：TOP通过去除多余的硫元素诱导PbS量子点表面重构的示意图，有利于后续的溶液相配体交换过程。

图文导读：

图1.a. 制备的OA-QDs（油酸配体量子点）在溶液中的吸收光谱；原始b. OA-QDs和c. TOP-QDs的TEM图像；d. 分别基于OA-QDs和TOP-QDs的量子点固体的吸收光谱（插图：量子点固体薄膜的照片）；e. 量子点固体的光致发光（PL）光谱和f. 量子点固体的TRPL衰减曲线

图2.a. 基于TOP-QDs的量子点固体的原子力显微镜（AFM）图像和b. 扫描电子显微镜（SEM）图像。量子点固体的X射线能谱（XPS）数据，具体为c. OA-QD固体和d. TOP-QD固体的O 1s信号；e. OA-QD固体和f. TOP-QD固体的S 2p信号

图3. a. OA-QD固体和b. TOP-QD固体薄膜的掠入射小角度X射线散射（GISAXS）二维图样。c. OA-QD固体和d) TOP-QD固体对应的方位角积分曲线及拟合数据。e. OA-QD固体薄膜和f. TOP-QD固体薄膜对应的可视化图

图4.a. 倒置器件结构；b, c. 基于不同量子点的光电探测器的响应速度。d. 对比器件的J-V曲线。e, f. 对应的暗态J-V拟合结果。g, h. 基于OA-QDs和TOP-QDs的器件在暗条件下的J-V曲线，i. 偏压=-0.5 V时暗电流密度（JD）的统计

图5.分别基于OA-QDs和TOP-QDs的光电探测器的性能对比，包括：a. -3 dB带宽，b. EIS阻抗谱和等效电路，c. 噪声电流密度谱（偏压= -0.1 V），d, e. 响应度（R）和EQE光谱，f. 比探测率光谱，g, h. 1310 nm波长下光功率相关的J-V曲线，以及i. 带拟合的线性动态范围（LDR）

图6.基于a. OA-QDs和b. TOP-QDs的器件的J-V变化。基于J-V曲线跟踪的c. 偏压=-0.5 V时的暗电流密度（JD）和d. 开路电压（VOC）随存储时间的变化

结论：

团队合作使用三辛基膦（TOP）进行表面重构可显著提高基于PbS量子点（QD）的短波红外（SWIR）光电探测器的性能和长期稳定性。关键发现包括：在-0.5 V偏压下，暗电流密度降低至237 nA cm^-2，而同样条件下，普通油酸配体的量子点（OA-QDs）器件的暗电流密度为555 nA cm^-2；在-0.1 V偏压下，优化器件的峰值比探测率（D*）达到2.07 × 10¹¹ Jones，优于OA-QD器件的3.76 × 10⁹ Jones。另外，优化的TOP-QD器件在1290 nm处实现了0.39 A/W的响应率和37.1%的外量子效率（EQE），表现出优异的光吸收和载流子收集效率。重要的是，TOP-QD器件在90天的存储后仍保持较高的光暗电流分离度和响应率，而OA-QD器件则出现明显的性能衰减。这些发现凸显了TOP配体介导的表面重构在减少缺陷、增强PbS QD光电探测器可靠性方面的有效性，使其成为高性能SWIR成像和光电探测应用的有力候选者。

本研究获国家自然科学基金（项目号12204318、62204107）、深圳市科技计划（RCYX20221008092908030等）、广东省高校青年创新人才项目（2023KQNCX068）支持及深圳技术大学新引进高精尖缺人才科研启动项目（GDRC202340等）的支持。

论文信息：

Trioctylphosphine-Induced Surface Engineering of PbS Quantum Dots for High-Detectivity Short-Wave Infrared Photodiodes

Qian Chen, Haibo Zhu, Fan Fang, Haodong Tang*, Yihan Song, Youming Chen, Lei Rao, Andong Zhong, Yihong Tang, Yi Li, Peizhao Liu, Jiaji Cheng, Junjie Hao*, Yiwen Li*, and Wei Chen*

Advanced Optical Materials

DOI:10.1002/adom.202502078

原文链接：https://doi.org/10.1002/adom.202502078

期刊简介：

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的期刊，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。