Advanced Functional Materials
刊发MODS团队基于双齿芳香族配体互补钝化的高温稳定量子点图像传感器
2025年2月24日， Advanced Functional Materials在线刊发了华中科技大学唐江教授领衔的单片集成光电子器件与系统团队（MODS）题为《Complementary Passivation of Bidentate Aromatic Ligands Enables High-Temperature Stable PbS Colloidal Quantum Dots Image Sensor》的研究论文。论文第一作者为陈龙博士生和刘诗杰博士生，通讯作者为高亮教授和刘婧博士。论文第一单位为华中科技大学。
PbS胶体量子点（CQDs）因其在短波红外（SWIR）成像领域的应用潜力而受到广泛关注。PbS CQDs具有低成本制造、波长可调和高分辨率等优势，因而在消费电子、自动驾驶和具身智能等领域展现了巨大的应用前景。然而，要将PbS CQDs推广到这些应用中，特别是在要求器件能够在高温环境下稳定运行的领域，存在着高温稳定性不足的问题。为了解决PbS CQDs在这些高温环境中的应用问题，提升其高温稳定性已成为亟待解决的关键技术难题。
目前，PbS CQDs普遍采用卤化物配体进行表面钝化，以确保量子点的稳定性。然而，卤化物配体在高温下易发生脱附，导致PbS CQDs表面能升高，进而引发量子点间的融合，最终影响其性能和稳定性。为克服这一问题，本研究提出通过引入双齿芳香配体进行补充性钝化，从而有效提升PbS CQDs在高温下的稳定性，为其在高温环境下的应用提供了新的解决方案。
本研究通过在液相配体交换过程中引入双齿芳香配体，显著提高了PbS CQDs的高温稳定性。实验结果表明，双齿芳香配体能够与PbS的{100}晶面形成强有力的化学键，抑制了高温下卤化物配体的脱附现象，并有效避免了量子点之间的融合。该方法显著增强了PbS CQDs的表面钝化效果，从而提高了其在高温下的稳定性。
在高温老化实验中，经双齿芳香配体处理的PbS薄膜展现出卓越的稳定性。在125°C的条件下，光电二极管器件的使用寿命达到了168小时，而在85°C下则超过1500小时，远超仅使用卤化物配体的器件的稳定性表现。此外，基于这些优化后的PbS CQDs构建的SWIR图像传感器，在经过加速老化测试后，器件的成像质量仍保持稳定，进一步验证了双齿芳香配体在提升PbS CQDs高温稳定性方面的有效性。
此外，研究还进一步探讨了双齿芳香配体对器件性能的影响。引入双齿芳香配体的PbS CQDs在高温稳定性得到显著提高的同时，其光电响应和载流子迁移率等性能也优于传统卤化物配体的PbS CQDs。这些结果表明，双齿芳香配体的引入不仅解决了PbS CQDs的高温稳定性问题，还优化了其光电性能，为PbS CQDs在高温环境下的应用提供了可靠的技术保障。
图1. 芳香族双齿配体对PbS {100}晶面的钝化保护作用。(a) DFT理论计算所用模型；(b) 不同芳香族双齿配体和{100}晶面的吸附能；(c) 通过双齿芳香配体改善高温融合问题的示意图；(d-e) 卤素配体和双齿芳香配体配体的CQDs在高温老化前TEM结果；(f-g) 卤素配体和双齿芳香配体配体的CQDs在150℃高温老化后TEM结果。
图2. 高温稳定的PbS CQDs图像传感器。(a) 双齿芳香配体和卤素补充钝化的示意图；(b) 单层PbS CQDs薄膜吸收光谱老化前后对比；(c) 单层PbS CQDs薄膜PL光谱老化前后对比；(d) PbS CQDs图像传感器及红外相机示意图；(e) 图像传感器老化过程中平均响应率的变化；(f) 传统卤素配体的PbS CQDs图像传感器高温老化成像结果；(g) 双齿芳香配体补充钝化后的PbS CQDs图像传感器高温老化成像结果。
该工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，湖北光谷实验室创新项目，脉冲功率激光技术国家重点实验室项目，湖北省国际科技合作项目等项目的资助，在此一并表示感谢。
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202501770
