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2024

综述：短波红外银硫族量子点在光电子器件的应用

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胶体无机半导体量子点（QD）由于其出色的发光强度、可调谐的发射波长、良好的光学稳定性和良好调控的表面电子态，在光电子器件、光催化和生物医学应用等领域获得了显著的关注。其中，发射在短波红外区域（SWIR，900-2500 nm）的量子点引起了生物成像和光电子学研究者的注意。由于其环境友好性和较低的溶度积常数，发射在短波红外的银硫族（Ag₂X，X = S，Se，Te）量子点已被广泛研究。特别是在生物成像中，用作短波红外荧光探针的Ag₂X量子点在促进疾病的早期诊断、治疗和预后评估方面取得了显著进展。

然而，当前应用于光电子学的Ag₂X量子点器件的发展远远落后于其他短波红外量子点，如PbS。最重要的因素之一是它们低的光致发光量子产率（PLQY）限制了光电极转换的效率。在基于银的量子点系统中，普遍考虑的因素包括由于单价银离子的高迁移率引起的晶格缺陷，以及由量子点表面悬挂键引起的表面缺陷，这些缺陷捕获了大量激子，导致非辐射复合和/或减少器件中有效的电子和空穴传输。因此，长期以来合成具有高绝对PLQY的短波红外Ag₂X量子点一直是非常具有挑战性的，这尤其阻碍了Ag₂X量子点在光电器件领域的应用。近年来，已有研究人员致力于开发表现出高效率光致发光（PL）发射的高质量短波红外Ag₂X量子点。这些进展进一步激发了对其在光电子器件中应用的强烈研究。

据麦姆斯咨询报道，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王强斌团队总结了抑制激子非辐射复合的有效策略，以提高Ag₂X量子点的PLQY，总结了它们在短波红外光电子器件中的应用，并讨论了Ag₂X量子点在光学性质控制和光电子学设计方面的未来机会。这篇综述以题为“Shortwave-Infrared Silver Chalcogenide Quantum Dots for Optoelectronic Devices” 在线发表在国际知名学术期刊 ACS Nano。

高PLQY银硫族量子点的合成

Ag₂X量子点在生物学和光电子学中的应用是基于其先进的物理和化学特性（如图1），它们具有典型的窄带隙以及短波红外吸收特性和荧光特性。图1说明了银硫族量子点的结构特征及其在短波红外区域的光学性质。

异质金属离子掺杂是提高Ag₂X量子点PLQY的有效方法。在量子点中掺入掺杂剂可以调节Ag原子的空间环境和量子点的电子结构，以优化其光致发光发射。图2展示了AgAuSe量子点的合成方案以及Ag₂Se和AgAuSe量子点的吸收和光致发光光谱，可以展示通过金（Au）掺杂来提高Ag₂Se量子点的PLQY和发光强度的效果。

量子点表面缺陷状态的存在大大降低了其发光效率。量子点具有悬垂键的不配位表面原子可以提供缺陷中心来捕获激发的电子和空穴，从而阻碍辐射复合。为解决这个问题，一种有效策略是通过在量子点表面引入另一种具有匹配晶格的无机半导体材料来创建核壳结构。另一种有效的策略是钝化，氯化物钝化是用于Ag₂X量子点表面钝化的常用方法，相关研究结果如图3所示，证明了通过氯化物钝化来提高Ag₂S量子点PLQY和发光强度的有效性。关于钝化策略还可以设计合适的表面配体，这是胶体量子点的重要组成部分。

银硫族量子点在光电器件中的研究进展

胶体量子点因其在高PLQY、宽吸收范围、可调吸收/发射和溶液可加工性等众多优点而被用于发光二极管（LED）、光电探测器和太阳能电池等光电器件中。近年来，基于合成高质量Ag₂X量子点的进展，它们在短波红外光电子学中的应用得到了广泛的探索，具有优异的性能。图4展示了Ag₂X量子点在LED和光电探测器中的性能。