1 引 言

随着信息社会的日益发展，红外半导体材料在生产、生活和军事等领域都展现出了极其重要的应用价值。比如，近红外(0.7～1.5 μm)至短波红外波段(1.5～2.5 μm)，它们在生物荧光成像、光通讯、安防监控等方面拥有巨大的应用潜力；中波(3 ～5 μm)至长波红外波段(8 ～12 μm)，它们在气体检测、高温探测、热成像以及环境中危险物探测等领域具有非常广泛的应用前景[1-6]。然而，受限于红外半导体材料的发展，它们在红外波段的调控范围通常较窄，从而制约了其在整个红外波段的应用。因此，研发覆盖红外波段广且低成本溶液工艺制备的半导体材料成为科研工作者亟待解决的难题。

图1 红外胶体半导体量子点(禁带宽度＜1 eV)的光谱调控范围Fig.1 Tunable spectral windows of different infrared semiconductor quantum dots(bulk bandgap＜1 eV)

红外胶体半导体量子点由于具有在红外波段光谱可调、半峰宽窄和可溶液加工等特点受到广泛关注。近年来，人们开发了不同种类的红外胶体半导体量子点[7-22]，如图1和表1所示。相比于其他红外量子点，汞(Hg)基和铅(Pb)基胶体量子点展现了更宽的光谱调控范围(即在近红外至中红外波段连续可调)。值得注意的是，与Hg(1.5～4 mg/kg)相比，Pb的风险管制值(400～1 000 mg/kg)更高[23]，在工业生产使用中更容易满足国家标准对人体健康和环保的要求，因此Pb基胶体量子点在军用和民用领域都有应用的潜力。在众多红外量子点材料中，硒化铅(PbSe)量子点尤为重要。PbSe量子点具有直接的能带结构，其禁带宽度为0.28 eV，激子波尔半径为46 nm，介电常数为23，属于典型的岩盐矿晶体结构(晶格常数0.612 nm)[9-10]。相比于硫化铅(PbS)和碲化铅(PbTe)量子点，PbSe量子点不仅具有更窄的禁带宽度(0.28 eV)和更宽的光谱调控范围(覆盖 1 200 ～ 4 000 nm)[9-10，24-25]，而且还具有较大的激子波尔半径(46 nm)，能够产生更显著的量子限域效应，从而导致其光电性质更容易被外界环境调控，且量子点间耦合增强，有助于提高载流子迁移率[26]。例如，在光通讯波段1 300～1 550 nm之间，PbSe量子点拥有在所有红外半导体材料中最高的荧光量子产率(接近90%)，已经成为一类备受关注的材料体系[27]。除此之外，PbSe量子点还存在显著的多激子效应和高的载流子迁移率[26，28]，在红外光电探测和太阳能电池中具有应用潜力。因此，PbSe量子点已成为学术界和工业界重点关注的红外量子点材料体系之一。

表1 红外胶体半导体量子点(禁带宽度＜1 eV)Tab.1 Summary of different infrared semiconductor quantum dots(bulk bandgap＜1 eV)种类 禁带宽度/eV 吸收峰/nm 发射峰/nm 半峰宽/nm 尺寸/nm 参考文献Ge 0.67 - 980～1 140 250～425 2.3～11.3 [7]PbS 0.41 850～1 800 1 000～1 700 200 2.5～7.2 [8]PbSe 0.28 1 100～4 000 1 200～4 100 50～100 2～18.6 [9-10]PbTe 0.31 1 009～2 054 1 100～2 150 150 2.6～8.3 [11]HgSe 0 4 200～9 000 - - 5～16 [12]HgTe -0.15 1 500～5 000 1 700～5 200 200～300 3～14.5 [13-14]Ag2S 0.92 600～650 690～1 227 80～100 1.5～4.6 [15]Ag2Se 0.15 770～1 070 1 080～1 330 200 3.1～3.9 [16]Ag2Te 0.064 760～820 985～1 068 100～200 3.8～4.7 [17]InAs 0.36 780～1 500 970～2 000 150～200 2.0～7.0 [18]InSb 0.16 1 200～1 700 1 300～1 850 150～200 3.3～6.5 [19]Cd3As2 -0.19 530～1 650 708～2 000 100～150 2.2～4.5 [20]Cd3P2 0.55 610～1 100 650～1 200 100～200 3.5～4.5 [21]SnTe 0.18 2 270～3 400 - - 6.5～12.5 [22]

遗憾的是，PbSe量子点对空气极其敏感。研究表明，在空气中PbSe量子点会在短时间内经历氧化和碰撞诱导解离过程，从而导致其光学活性恶化，制约了PbSe量子点的应用[29-30]。因此，有效地钝化PbSe量子点是解决以上问题的关键。目前，钝化PbSe量子点的主要手段有壳层包覆法和卤素离子钝化法。近年来，美国国家可再生能源实验室的Beard教授、华中科技大学的张建兵教授和韩国机械与材料研究所的Jeong教授等课题组[31-34]，利用卤素离子对PbSe量子点表面进行钝化处理，获得了在空气中具有良好稳定性的PbSe量子点。这种方法一般是在器件制备过程中完成，对工艺要求比较高。相比而言，壳层包覆法从材料本身提高PbSe量子点的稳定性和加工性，可简化工艺条件并提高器件的成功率和性能。在壳层的保护下，不仅PbSe量子点的发光效率大幅提升[35-36]，而且其胶体和化学稳定性也有显著提高[30，37-40]。因此，PbSe核壳量子点被看作推动器件应用的材料设计思路。本文综述了PbSe核壳量子点的合成与应用的研究进展，重点介绍了PbSe核壳量子点的种类和合成方法，简述了其在光电探测、太阳能电池、激光器和光催化领域的应用进展，希望能够对从事本领域研究的学者和研究生有所借鉴。

文章来源：《光学与光电技术》 网址: http://www.gxygdjs.cn/qikandaodu/2021/0508/554.html