华中科技大学唐江教授团队InfoMat：无滤波、自驱动的CdSe/Sb2(S1-x,Sex)3近红外窄带探测与成像

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2021年6月30日，科睿唯安(Clarivate)正式发布2021年科技期刊引证报告(Journal Citation Reports)，InfoMat获得首个影响因子--25.405！

红外生物成像因其对生物组织无损伤的优点，广泛应用于肿瘤标志物或药物治疗等医学领域。其中，荧光探针技术经常被用来观察肿瘤或药物在体内的动力学过程。在该方法中，标记物的荧光需要穿透生物组织而被光电探测器检测，进而实现动态监测。然而，在这个过程中生物组织对荧光的吸收以及周围环境光的干扰会降低荧光信号，从而降低了成像质量。已知生物组织主要由血红蛋白和水组成，其分别吸收波长< 650 nm和> 900 nm的光谱，波长为650 ~ 900 nm的光谱则是生物探测与成像的最佳光学窗口(图1A)。当探测器工作在这个光学窗口时，可以有效地避免生物组织对光的吸收。此外，环境光也会给探测器带来额外的背景噪声，降低其检测精度。因此，实现光学窗口范围内的窄带探测能够有效避免上述问题，有望实现高质量、无损生物探测与成像。

图1 （A）生物组织中水和血红蛋白的吸收光谱，600 nm ~ 900 nm的弱吸收形成了生物探测的光学窗口。（B）p-n结型窄带探测光谱吸收示意图。

常见的窄带探测器是利用商用的Si或InGaAs宽谱探测器与一套干涉滤光片相结合来实现的。通常情况下，滤光片是由多个不同折射率的包层组成，其设计复杂、集成难度大且成本高昂。此外，这些滤光片是直接裸露的，其对表面污染或划痕非常敏感，使用寿命和范围大大受限。近年来，基于电荷收集变窄(CCN)的概念也实现了光谱可调的近红外窄带探测器。其主要利用高表面复合速率，抑制了短波光谱产生的光生载流子。这种窄带探测器受缺陷辅助复合的影响，其光谱响应度一般较低，需要在较高偏置电压下工作，而这也会一定程度上拓宽响应光谱。

为了避免上述的问题，华中科技大学唐江教授团队探索了一种新型的p-n结型窄带探测器。利用n型的CdSe吸收< 710 nm的光谱，同时控制薄膜厚度和载流子寿命，实现了对于光生载流子传输的抑制。进而，利用p型的Sb₂(S_1-x,Se_x)₃响应>710 nm波段的光谱，实现p-n结型近红外窄带探测器。这种p-n结型的探测器避免了复杂的滤波系统，同时能够同时兼顾高响应度和窄半峰宽。此外，由于p-n结的内建电场作用实现了自驱动，无需外部电源，极具应用潜力。该p-n结型器件的设计理念能够进一步拓展到更多的体系，具备广泛的应用前景。

该工作InfoMat上以题为“Filter-free self-power CdSe/Sb₂(S_1-x,Se_x)₃ nearinfrared narrowband detection and imaging”在线发表（DOI: 10.1002/inf2.12237）。

我们摘取了文章里的几部分重点给大家做个介绍：

1. 近红外窄带探测器的设计

首先，利用时域有限差分法（FDTD）和太阳能电池电容模拟器（SCAPS）对p-n型窄带探测器的可行性进行理论分析（图2）。同时，基于模拟的结果对实现窄带探测器的具体要求也做了细致的理论分析。结果显示，n型CdSe薄膜的载流子寿命需要< 130 ps、薄膜厚度需要> 2000 nm，这样才能保证CdSe层吸收< 710 nm的光谱，且不贡献光电流。

图2 （A）CdSe/ Sb₂(S_1-x,Se_x)₃探测器结构示意图。（B）窄带探测器中模拟的光场分布图。（C）Sb₂S₃层里模拟的光场分布图。（D）窄带探测器的载流子传输示意图。（E）不同载流子寿命和（F）不同CdSe薄膜厚度情况下窄带探测器的模拟外量子效率（EQE）光谱图。

2. 近红外窄带探测器的制备与性能表征

研究者利用快速热蒸发的方法制备CdSe薄膜，实现了荧光寿命为125 ps的CdSe薄膜（图3B）。在厚度为2450 nm的CdSe薄膜上，制备了Sb₂(S_1-x,Se_x)₃薄膜，构建了p-n结型探测器（图3C）。探测器的EQE光谱显示，其仅在718 nm至800 nm的窄光谱范围内有响应，最高EQE为32%，对应于0.19 A W^-1的响应度，半峰宽为50 nm（图3E）。通过调整Sb₂(S_1-x,Se_x)₃薄膜的吸收带边，获得了最窄的半峰宽为35.3 nm（图3F）。

图3 （A）CdSe薄膜的荧光光谱。（B）CdSe薄膜的瞬态荧光光谱。（C）窄带探测器的SEM界面图。（D）CdSe薄膜的透过光谱图和Sb₂(S_1-x,Se_x)₃薄膜的吸收光谱图。（E）窄带探测器的EQE和响应度。（F）不同Sb₂(S_1-x,Se_x)₃薄膜的带隙的探测器的EQE谱。

3. 近红外窄带探测器的应用展示

在上述的窄带探测器的基础上，研究者利用780 nm和590 nm的LED光源模拟荧光标记物，研究窄带探测器的成像特性。结果显示，探测器仅对与780 nm的LED光源能够有光谱响应，并获得了“HUST”字样的图案，而590 nm的LED光源未能获得图案。不仅如此，研究者也利用探测器对人体的心率做了监测，在780 nm光源下获得了周期性的心率结果。本结果展示了窄带探测器的成像和心率监测应用，未来可进一步用于生物标记和药物治疗的成像应用。

图 4 （A）窄带探测器成像过程照片。在（B）780 nm和（C）590 nm的LED光源下的成像结果。（D）心率探测原理示意图。（E）在780和590 nm LED连续光照下，近红外窄带探测器的光电流响应—时间图。（F）光电流响应曲线的傅里叶变换图。

4. 展望

本工作中的CdSe/Sb₂(S_1-x,Se_x)₃近红外窄带探测器的成功制作和成像应用证明了p-n结型器件设计理念的可行性。根据该设计理念，通过匹配n型和p型材料的带隙，有望实现超窄带探测器(如半峰宽< 10 nm)。同时，通过调整光谱响应范围，其在全谱窄带检测中也具有广泛的应用前景，如全天候检测、自动驾驶、光通信、距离检测等应用场景。

作者介绍

唐江，国家自然科学基金杰出青年基金、科技部“万人计划领军人才”获得者，目前任职于华中科技大学光学与电子信息学院和武汉光电国家研究中心，主要开展光电转换材料与器件相关工作。在Nature、Nature Materials、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Communications等国际知名刊物发表论文200余篇，累计引用19000余次，H因子69，获“科睿唯安全球高被引科学家”。

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