由量子点制成的红外探测器——对不可见的敏锐的眼睛

点上：应用在光纤上的量子点红外探测器。来源：Empa

在我们日常生活的许多高科技产品中，如运动探测器、自动驾驶汽车、化学分析仪和卫星中，都隐藏着一个关键的组件——红外线探测器。这些探测器能够捕捉到我们无法用肉眼看到的红外光，并将其转化为电信号，从而让我们能够感知到那些看不见的热源或能量变化。而在这个探测器的核心，除了精密的读出电子器件外，通常都是由晶体半导体材料构成的。

然而，这些半导体材料的制造并不容易。它们需要在极高的温度和大量的能量下才能形成，这不仅增加了生产的成本，也限制了探测器的小型化和广泛应用。但Empa（瑞士联邦材料科学与技术实验室）的研究人员可能找到了一个解决之道——使用胶体量子点来制造红外线探测器。

什么是胶体量子点呢？对于大多数人来说，这个词可能有些陌生。简单来说，量子点就是一些微小的颗粒，它们的尺寸通常只有几纳米到几十纳米之间。而“胶体”则意味着这些量子点被分散在一种溶液中，可以像涂料一样被均匀地涂抹在各种材料上。

Shorubalko博士解释说，量子点的神奇之处在于，它们的性质不仅取决于化学成分，还取决于尺寸。当材料的颗粒变得非常小时，它们就会表现出一些独特的量子效应，使得这些微小颗粒具有与较大颗粒完全不同的特性。比如，某些量子点在受到光照时，会发出特定颜色的光，或者对特定的光波长产生强烈的吸收和反射。

而在Empa，研究人员已经成功地利用这些胶体量子点制造出了功能齐全的红外线探测器。他们首先通过旋转涂层或印刷的方式，将量子点溶液均匀地涂抹在探测器的基底上。然后，通过一系列复杂的工艺步骤，将这些量子点连接成电路，形成一个能够探测红外光的电子元件。

与传统的半导体材料相比，胶体量子点具有许多优势。首先，它们的生产成本更低，因为不需要在极端条件下进行制造。其次，量子点更加灵活，可以应用于各种形状和尺寸的设备中。最重要的是，量子点探测器在性能上也不逊色于传统的半导体探测器，甚至在某些方面还表现得更加出色。

例如，在自动驾驶汽车中，红外线探测器被用来检测前方的障碍物和行人。如果使用胶体量子点制造的探测器，不仅可以降低成本，还可以提高探测器的灵敏度和响应速度，从而增加自动驾驶汽车的安全性和可靠性。

当然，量子点探测器的研发还面临着许多挑战。比如，如何进一步提高探测器的稳定性和耐用性？如何优化量子点的制备工艺，使其更加适合大规模生产？这些问题都需要研究人员进行更深入的研究和探索。

但无论如何，胶体量子点已经为红外线探测器的制造带来了新的希望和可能。随着技术的不断进步和应用的不断拓展，我们有理由相信，在未来的某一天，这些微小的量子点将会在我们的生活中发挥更加重要的作用。

由量子点制成的红外探测器——对不可见的敏锐的眼睛

显微镜下的量子点红外探测器。图片:电子探针。Credit: Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology

在科技日新月异的今天，Empa的研究人员正引领着一场红外线探测技术的革命。2023年，他们成功地将量子点制成的红外探测器打印到了光学聚合物纤维上，这一突破性的成就传统红外探测器望尘莫及。

这项技术的实现离不开跨学科的紧密合作。设备专家Shorubalko与他的博士生Gökhan Kara携手材料专家Kovalenko，以及Empa薄膜和光伏实验室的印刷专家Yaroslav Romanyuk和仿生膜与纺织品实验室的纤维专家，共同攻克了这一难题。他们利用胶体量子点的独特性质，通过先进的打印技术，将红外探测器精准地“绘制”在光学聚合物纤维上，实现了探测器的小型化和柔性化。

这一创新技术的应用前景广阔，尤其是在智能纺织品领域。Shorubalko指出，全球纺织品市场的规模远超消费电子市场，且增长势头迅猛。消防员的功能性服装、患者监测的医用纺织品等特殊纺织品，都能从柔性红外探测器中受益匪浅。想象一下，消防员穿上装备有红外探测器的防护服，就能实时感知火场中的热源分布，从而更有效地执行任务。而医用纺织品则能通过监测患者的体温变化，为医生提供及时的健康信息。

更令人兴奋的是，量子点红外探测器在时尚界也展现出巨大的潜力。Shorubalko认为，如果探测器和其他电子元件足够小、便宜且易于制造，它们就能被广泛应用于日常服装中。这不仅能让我们的衣物更加智能，还能为时尚产业注入新的科技元素。

量子点红外探测器的另一个显著优势是其微小的尺寸。由于每个探测器都由许多仅5纳米大小的量子点组成，因此可以制造出比测量光的波长还要小的探测器。这一特性使得研究人员能够记录红外光的其他特性，如相位或干涉，从而大大提升了探测器的通用性。

接下来，Shorubalko和他的团队正致力于提高探测器的速度。激光雷达是自动驾驶汽车等先进技术的重要组成部分，而快速红外探测器则是激光雷达性能提升的关键。传统激光雷达使用的硅基红外探测器在测量波长约为905纳米的红外光时，虽然对人眼不可见，但在高功率下仍可能有害。因此，激光雷达的激光强度受到限制，从而影响了整个系统的探测范围。而量子点红外探测器则提供了一种更安全、更经济的替代方案，它们能够在更长的波长下工作，同时保持高速响应，从而使强大、安全、经济的激光雷达系统成为可能。

令人振奋的是，量子点红外探测器已经迈出了从实验室走向市场的关键一步。Shorubalko表示，这项技术的商业化进程异常迅速，远远超出了他的预期。然而，研究人员的工作并未因此停歇。他们正不断努力，使这项技术更加成熟、更加经济、更加灵活、更加可持续，以更好地服务于各行各业。

总之，量子点红外探测器的出现，不仅为红外线探测技术带来了革命性的变化，更为智能纺织品、自动驾驶汽车等前沿领域注入了新的活力。随着技术的不断进步和应用的不断拓展，我们有理由相信，量子点红外探测器将在未来的生活中发挥越来越重要的作用。

MERLIN 4 CCD Spectrometer