微纳材料设计与制造研究中心

封面文章 | Zhou B Z, Liu M J, Wen Y W, Li Y, Chen R. Atomic layer deposition for quantum dots based devices. Opto-Electron Adv 3, 190043 (2020).

研究背景

量子点(QDs)是典型的半导体纳米晶体，具有可调谐的带隙、优异的光致发光效率和超高的消光系数。由于激子被束缚在波尔半径以内，其光电性能可以根据量子点的大小、形状、成分组成以及表面结构进行调整。目前，它们已经被广泛地应用于光电探测器、太阳能电池、发光二极管(LED)和场效应晶体管(FET)等领域。尽管量子点具有优异的光电特性，但仍有几个问题需要解决。

QDs的光致发光量子产率(PLQY)受到来自悬空键和表面陷阱态的严重限制，它们作为非辐射的复合中心，严重降低了荧光量子产率。此外，较大的比表面积和表面暴露的原子位点容易受到环境中水、氧、光、热的破坏，进而改变量子点的原始尺寸、成分和晶体结构。在量子点光电器件层面上，长链有机配体和界面复合损失严重影响了器件的光电性能。因此，低下的光电效率和较短的工作寿命成为了制约量子点进一步发展的绊脚石。

针对以上问题，原子层沉积(ALD)作为一种原子尺度可控的表面处理技术，满足了量子点器件制造的跨尺度改性要求，并已成功应用于量子点器件的改性。ALD是一种气相沉积方法，通过一系列自限表面反应能在各种异型基底上沉积超薄均匀且共形的薄膜。在过去的几十年里，ALD已经被广泛应用于半导体器件制造过程中，包括薄膜太阳能电池、光电探测器和其他电子器件领域。

研究亮点

华中科技大学陈蓉教授课题组详细总结了ALD从量子点表面到器件结构层次在优化量子点器件方面的工作，关注包括温度、脉冲时间和前驱体等ALD工艺的调节对于量子点器件光电效率和稳定性的改善作用。由于具有依赖于能量的自限制反应、致密均匀薄膜制备、气相渗透和原子级可控厚度等特点，ALD适用于针对量子点光电器件进行表面缺陷钝化、致密薄膜封装、纳米间隙填充和界面接触调控。ALD前驱体分子可以在原子水平上对量子点表面悬挂键和缺陷位点进行钝化和修补，从而提高光致发光效率。同时，ALD沉积所得的超薄致密阻隔膜可以有效地防止外界水氧入侵和抑制离子迁移，进而提高量子点器件的稳定性。除此之外，ALD气相扩散填充量子点间隙可以降低量子点之间的传输势垒，提升载流子迁移率。ALD界面工程可以很好地优化器件能级结构和平衡载流子输运。最后，研究人员从ALD材料、工艺参数、原位表征和器件仿真等方面论述了ALD在量子点光电器件上的应用前景。

图1 量子点面临的挑战（I）非辐射复合导致的光致发光衰减；（II）高比表面积导致的低稳定性；（III）长链配体导致的低载流子迁移率；（IV）界面载流子积累和复合导致的发热以及效率滚降

该综述以“Atomic layer deposition for quantum dots based devices”为题发表于英文期刊Opto-Electronic Advances 2020年第9期。

研究团队简介

华中科技大学微纳材料设计与制造研究中心是依托于机械科学与工程学院、材料科学与工程学院的跨学科交叉创新平台。中心目前有5名教授、3名副教授、5名助理研究员，和数十名博士、硕士研究生，主持各类国家级重点项目40余项，总科研经费超过5000万。中心聚焦于材料微纳制造与应用的跨学科、多尺度研究，涉及机械、材料、能源、计算机、光电子等学科，主要包括材料微纳尺度模拟与大数据技术、基于原子层沉积的纳尺度集成技术、柔性微/光电子器件的设计制造、能源环境纳米催化研究、面向生物医 疗的3D打印技术。中心充分发挥了跨学科优势，在基础科研创新和产业应用方面都取得了丰硕的成果：在国际权威期刊Science、Adv. Mater、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed. 等发表论文400余篇，申请专利100余项（国际专利4项）；科研成果成功实现规模产业化，与美国斯坦福线性加速器中心、美国英特尔公司、美国通用汽车公司、美国全谱激光、TCL集团、华星光电、无锡威孚集团、中国航天科技集团、贵研铂业等龙头企业保持着长期紧密的合作关系。