Structural Improvement Design of an Infrared Thermal Imager
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摘要: 红外热像仪机械环境可靠性是其结构设计最为重要的指标之一。为保证红外热像仪能够经受服役的振动环境，本文以某型红外热像仪故障闭环为契机开展失效机理及结构改进设计研究。基于动态试验结果对红外热像仪有限元模型进行修正。采用有限元数值方法和随机振动疲劳失效理论相结合对故障的产生机理进行了推测。根据分析结果重新对结构改进优化并通过疲劳失效理论和随机振动试验进行了验证。结果表明故障定位准确、提出的优化改进措施有效。本文的分析思路对单机传感器设计或故障定位、结构改进设计等具有一定参考意义。Abstract: The mechanical environment reliability of infrared thermal imagers is one of the most important indices in its structural design. To ensure that the infrared thermal imager can withstand the vibration environment during operation, a fault closed loop of an infrared thermal imager is used as an example to develop research on the fault mechanism and structure improvement design. The finite-element model of the infrared thermal imager is modified based on the dynamic test. The fault mechanism is deduced by combining the finite-element method and the fatigue failure theory under random vibration. According to the analysis results, the structure was improved and verified using the fatigue failure theory and random vibration test. The results indicate that the fault location is accurate and the structural improvement is effective. The analysis method proposed in this paper is expected to provide a reference for the fault location and structural improvement of a single sensor.
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Keywords:
- infrared thermal imager /
- finite element method /
- dynamic test /
- random vibration /
- fatigue failure
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0. 引言
量子点独特的性质得益于它自身的量子效应，当量子点尺寸达到纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、表面效应、量子限域效应和宏观量子隧道效应，因而具有了不同的低维物性，由此展现出许多不同于宏观材料的物理化学性质，从而对生命科学和信息技术的持续发展以及物质领域的基础研究产生深刻的影响。此外，由于其新颖的光学和输运特性在许多光电应用领域具有巨大潜力，在过去几年中引起了越来越多的关注，这些极小尺寸的粒子将导致光生电子空穴对的量子限制，导致其吸收光谱发生变化。因此，合成这种尺寸分布狭窄的低维纳米半导体粒子是非常重要的[1]。
进入到21世纪的今天，高性能胶体量子点（colloidal quantum dots，CQDs）已经成为新材料新能源等研究领域的热点。量子点，也被称为半导体纳米晶体，直径为几纳米，得益于廉价的低温溶液加工工艺和独特的光学物理学特性，使它们成为下一代太阳能电池和光电探测器的理想候选材料。量子点表面通常被称为配体的钝化分子所覆盖，配体可能属于不同的类别—有机或无机，单齿或双齿，单原子或长链，这些配体可以根据需要将量子点功能化，从而显示出不同的性能[2]。经过多年来的研究发现，量子点对光的吸收和发光光谱的强弱是由载流子空间约束决定的，这极大地改变了三维受限电子、空穴和激子的能谱。电子和空穴的最低量子约束能级的能量和带边光学跃迁的能量可以随着量子点尺寸减小而增加，这一研究发现极大地改善了量子点的应用范围[3]。胶体量子点的带隙可以很容易地通过改变它们的尺寸大小来调整，从而使得胶体量子点对不同的波长产生光吸收，见图 1(a)[4]。表 1[5-28]列举了几种不同量子点光电探测材料体系及其探测器件的主要性能指标，根据列出的数据可以预见，在不久的将来，基于量子点的光电探测器会有很大的应用前景。
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表 1 不同量子点光电探测材料体系及其探测器件的主要性能指标Table 1. Different quantum dots photoelectric detection material systems and the main performance indexes of detectorsMethod Device structure Area/
mm2Illumination/nm D*/
JonesR/(AW-1) Ref. Spin-coated Si/SiO2/MoS2/PbS-EDT/Ti/Au - 700 7×1014 6×105 [5] Si/SiO2/ZnO/QDs/TiO2/Al - 520 - 6.84×10-2 [6] PMMA/PAA/Poly-TPD: PCBM/CsPbBr3QD/ Poly-TPD: PCBM - 440-600 2.2×1011 8×10-2 [7] Si/SiO2/1L-MoS2/PbS QDs - 850 1×1011 5.4×104 [8] MoS2/TiO2/PbS - 635 5×1012 105 [9] Si(p-doped)/SiO2/TMDC/PbS CQD/Au - 1800 > 1012 1400 [10] Si/SiO2/ZnO/PbS/Al - 640 7.9×1012 10.9 [11] Si/SiO2/PbS/CH3NH3PbI3/Au 0.05 365 4.9×1013 - [12] Polyimide/ITO/HgTe CQDs/Au - 2200 7.5×1010 0.5 [13] Glass/ITO/NiO/PbS/ZnO/Al 4.6 600 1.2×1012 - [14] PbS-QD/InGaZnO - 1310 1012 104 [15] SiO2/Si/WSe2/PbS/Au - 970 7×1013 2×105 [16] Si/SiO2/ SnTe QDs/Ti/Au - 940 1.3×109 3.7 [17] Si/SiO2/ graphene/ PbS - 950/1450 7×1013 107 [18] Si/SiO2/MoS2/TiO2/HgTe CQDs - 2000 1012 106 [19] Si/SiO2/HgTe QDs/PMMA 0.048 5000 5.4×1010 - [20] Si/SiO2/Poly-TPD: PCBM/QDs/Poly-TPD: PCBM/Au PD - 400-800 3.8×1011 0.86 [21] Drop-casted Al/Si/Bi2Se3/HgTe CQDs/Graphene/Au - 2400 5×109 0.9 [22] Si/SiO2/Gold mirror/HgTe CQDs 1.6 1550 109 1 [23] Si/SiO2/graphene/PbS QDs/Au - 895 - 1×107 [24] ITO/graphene: CdSe QDs/CdS nanorods/Ag - 530 6.85×1012 15.95 [25] Inkjet-printed Ag/ZnO/PbS ink 1 950 2×1012 1.5 [26] Nanoprinted Si/SiO2/graphene/PbS CQDs - 1280 ≥1010 - [27] Spray-casted MXene/PbS QDs - 470 2.4×1011 1.15×102 [28] 近年来，利用量子点制备的太阳能电池及光电探测器的性能都取得了不错的提升，基于量子点的光电探测器所用到的材料主要有有机半导体、纳米颗粒和钙钛矿等，见图 1(b)[29]。2013年，Manoj K. Jana等[30]分别用HgSe和Hg0.5Cd0.5Se CQDs来制作量子点红外探测器件，在2 V偏压和1550nm波长光照下，前者的探测率为1.1×109Jones，后者的响应率和探测率分别为0.91 AW-1，3.3×1010Jones；2014年，Jungang He等[31]在PbS CQDs溶液中加入0.5%到1%含量的Ag纳米晶体制作量子点红外探测器件，在850nm波长的光照条件下，其探测率达到了1.5×1010Jones；2016年，Ivan Nikitskiy等[32]在石墨烯层上滴涂PbS CQDs，从而得到一个混合光电探测器，在635nm波长的光照条件下，其探测率达到了1×1013Jones；2017年，Edward H. Sargent等[33]制备了Si: PbS CQDs光伏场效应晶体管，成功实现了与硅集成的红外探测功能，该晶体管在1300nm波长光照下，探测率达到了1.8×1012Jones，响应率达到了104AW-1；2019年，Xin Tang等[34]用不同尺寸的HgTe CQDs制作双波段红外探测器件，在低温条件下，其探测率超过了1010Jones；2020年，Xiangshun Geng等[35]通过把SC CH3NH3PbBr3（MAPbBr3）钙钛矿材料整合到Si上制备钙钛矿光电探测器，在520nm波长的光照条件下，其探测率为5.9×1010Jones。
本文将着重对量子点的合成、红外光电探测器量子点薄膜及太阳能电池量子点薄膜的研究进展进行相应的分析与概述。
1. 量子点的合成
成功合成性能良好的量子点是制备高性能量子点薄膜的重要前提，自量子点纳米晶体被发现以来，就有若干的文献报道了众多不同种类的量子点和不同的合成方法，本文将选择具有代表性的量子点制备方法进行介绍，可分为反相微乳液法、正相微乳液法、热注射法、超声剥离法、液相合成法等。限于篇幅，本综述主要讨论前3种制备方法。
1.1 反相微乳液法
反相微乳液法，又称为油包水（W/O）型微乳液法，反相微乳液法是利用反向微乳液作为微反应器合成量子点的方法。图 2(a)是反相微乳液法的示意图，图 2(b)和(c)是Cliffordy. Tai等[36]合成的氧化锆纳米颗粒的TEM图片，其比例尺都为100nm，图 2(b)是在650℃下煅烧1 h得到的氧化锆纳米颗粒，图 2(c)是在750℃下煅烧1 h得到的氧化锆纳米颗粒，可以看到图 2(c)中氧化锆纳米颗粒的尺寸要比图 2(b)中氧化锆纳米颗粒的尺寸大，这可能是由于温度不同造成的，图 2(d)是Bor-Yuan Hsiao等[37]在60℃下煅烧72 h制备得到的含水氧化锆纳米颗粒的TEM图片，比例尺为100nm，可以看到合成的纳米粒子是球形的且粒径分布很广，这是因为受到反应温度的影响。图 2(e)和(f)是Huang Ke-long等[38]合成的A12O3纳米颗粒TEM图片，图 2(e)和(f)的水与表面活性剂摩尔比分别为：ωo=10和ωo=15，可以看到纳米颗粒的尺寸随着ωo的增大而增大。图 2(g)是P. S. Khiew等[39]制备得到的PbS纳米颗粒的TEM图片，从图中可以看到PbS纳米颗粒呈球形状，尺寸较为均一。图 2(h)是PbS纳米颗粒的粒径分布直方图[39]，可以看到PbS纳米颗粒的尺寸为3~8nm。图 2(i)是PbS纳米颗粒的XPS图谱[39]，图中存在C和O杂质峰，这可能是PbS纳米颗粒的表面污染及表面上吸附的残留表面活性剂造成的。所谓的反向微乳液是由少量的水相、大量的油相、适量的表面活性剂和助表面活性剂组成组成[40]。在表面活性剂的作用下，微乳液中形成油包水的微反应器，微反应器的尺寸就是最终获得量子点的尺寸，这样就可以通过调控各相的比例参数改变微反应器的大小，从而对量子点的尺寸进行调控[41]。
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图 2 反相微乳液法制备纳米晶体及其性质: (a) W/O型微乳液体法示意图；(b)和(c)不同煅烧温度下氧化锆纳米颗粒的TEM图像[36]；(d)含水氧化锆颗粒的TEM图像[37]；(e)和(f)具有不同水与活性剂摩尔比的A12O3纳米颗粒的TEM图像[38]；(g) PbS CQDs的TEM图像[39]；(h) PbS CQDs的粒径分布直方图[39]；(i) PbS CQDs的XPS图谱[39]Figure 2. Preparation of nanocrystals by reverse phase microemulsion method and their properties: (a) Schematic diagram of W/O microemulsion method; (b) and (c) TEM images of zirconia nanoparticles calcined at 650℃ and 750℃ for 1 h[36]; (d) TEM image of hydrous-zirconia nanoparticles[37]; TEM images of Al2O3nanoparticles with different mole ratios of water to surfactant: (e) ωo=10[38], (f) ωo=15[38]; (g) TEM image of PbS CQDs[39]; (h) Histogram of particle size distribution of PbS CQDs[39]; (i) XPS pattern of the PbS CQDs[39]1.2 正相微乳液法
正相微乳液法，又称为水包油（O/W）型微乳液法，与反相微乳液法类似，正相微乳液法中一般也包含水相、油相和表面活性剂，不同的是，正相微乳液法中含有大量的水相，形成水包油状，图 3(a)是正相微乳液法的示意图，图 3(b)、(c)和(d)分别是Jianping Ge等[42]合成的Ag2Se纳米颗粒的TEM图片、EDs图谱和XRD图谱，图 3(b)的比例尺为50nm，可以看到合成的Ag2Se纳米颗粒尺寸均匀，单分散性能良好，图 3(c)中只发现了预期产物元素和环境杂质Cu的峰，说明Ag2Se颗粒纯度较高，图 3(d)中Ag2Se纳米颗粒XRD峰与JCPDS卡片吻合良好，说明Ag2Se纳米颗粒结晶度良好，图 3(e)和(f)分别是Christy R. Vestal等[43]合成的CoCrFeO4纳米颗粒的TEM照片和XRD图谱，图 3(e)的比例尺为33nm，粒子平均尺寸为6nm，从图中可以看到该粒子尺寸均匀，单分散性良好，从图 3(f)中可看到CoCrFeO4纳米颗粒结晶度良好，值得注意的是正相微乳液法可以快速聚合和形成分子量很高的聚合物，而其缺点是表面活性剂对高分子单体的比率较高，虽然表面上看起来正相微乳液法和反相微乳液法的操作是类似的，然而反应机理却不相同[44-45]。
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图 3 正相微乳液法制备纳米晶体及其性质: (a) O/W型微乳液体法示意图；(b) Ag2Se纳米颗粒的TEM图像[42]；(c) Ag2Se纳米颗粒的EDs图谱[42]；(d) Ag2Se纳米颗粒的XRD图谱[42]；(e) CoCrFeO4纳米颗粒的TEM图像[43]；(f) CoCrFeO4纳米颗粒的XRD图谱[43]Figure 3. Nanocrystals prepared by normal phase microemulsion method and their properties: (a) Schematic diagram of O/W microemulsion method; (b) TEM image of Ag2Se nanoparticles[42]; (c) EDs analyses of Ag2Se nanoparticles[42]; (d) XRD pattern of Ag2Se nanoparticles[42]; (e) TEM micrograph of CoCrFeO4nanoparticles with an average size of ~6nm[43]; (f) XRD pattern of 11-nm CoCrFeO4nanoparticles[43]1.3 热注射法
热注射法是在一定的高温条件下，通过反应物的成核及生长从而合成量子点的方法。图 4(a)是热注射法的示意图[46]，图 4(b)是Chang Yan等[47]合成的Cu2FeSnS4纳米粒子的TEM图片，比例尺为100nm，从图中可以看到Cu2FeSnS4纳米粒子呈三角形和球形，插图是Cu2FeSnS4纳米粒子的粒径分布直方图，可以看到该粒子平均粒径约为13.2nm。图 4(c)和(d)是Magdalena Kulpa-Greszta等[48]合成的ZnFe2O4纳米颗粒的TEM图像，比例尺分别为200nm和100nm，从图中可以看到ZnFe2O4粒径在40nm左右，颗粒形状趋向于多面体混合形态，形成混合形态可能是由于水分子对粒子形状产生了不良的影响。图 4(e)和(f)是Shigeru Ikeda等[49]合成的CuSbS2纳米粒子的TEM图像，其比例尺分别为100nm和10nm，从图 4(e)中可以看到合成的CuSbS2纳米粒子尺寸均匀，单分散性良好，插图为CuSbS2纳米粒子的粒径分布直方图，可以看到其粒径尺寸约为15nm，从图 4(f)中可知合成的CuSbS2纳米粒子具有单晶性质，且每个粒子在整个粒子中都有连续的晶格条纹。图 4(g)~(i)是Jaakko V. I. Timonen等[50]在不同升温速度条件下合成钴纳米粒子的TEM图像，比例尺都为20nm，其升温速度分别为快速、中速和低速，从图中可以看到不同条件下合成的粒子都具有尺寸均匀，单分散性能良好，但随着升温速度的降低粒子尺寸随之增大。相比于其他的合成方法，热注射法是目前合成量子点最成功、理论性最强、最为典型、调控最精细并且得到的量子点质量最高的一类方法。
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图 4 热注射法制备纳米晶体及其性质: (a) 热注射法合成CQDs技术示意图[46]；(b) Cu2FeSnS4纳米晶体的低分辨率TEM图像[47]；(c)和(d) ZnFe2O4纳米颗粒的TEM图像[48]；(e)和(f) CuSbS2纳米颗粒的TEM图像[49]；(g)-(i)不同升温速率下完全生长的钴纳米颗粒的TEM图像[50]Figure 4. Preparation of nanocrystals by thermal injection and their properties: (a) Schematic representation of the hot-injection CQDs synthesis technique[46]; (b) Low resolution TEM image of Cu2FeSnS4nanocrystals[47]; (c) and (d) TEM images of ZnFe2O4nano-particles[48]; (e) and (f) TEM images of CuSbS2nanoparticles[49]; (g)-(i) TEM images of full-grown Co nanoparticles with different temperature recovery rate (HI2: rapid temperature recovery, HI3: medium-rate recovery, HI4: slow recovery)[50]2. 红外光电探测器量子点薄膜
红外（infrared，IR）探测技术最大优势之一就是可以在夜间成像，众所周知，夜间观察遇到的最大难点就是光强不足，在红外探测技术没出现之前，单凭人眼是很难在夜间观察目标及环境的，因此，夜间也就成为非法活动频繁发生时间段。夜间同样是军事活动的频繁发生时间，如夜间行军、劫营、伏击等，例如美国在夜间对伊拉克发动的战争，原因就是对方没有先进的红外探测技术，而美方装备有先进的红外探测设备，进行了一场不对等的战争，从而毫不费力地赢得了战争的胜利，由此可见，红外探测技术不管是在民用还是在军用上都有着举足轻重的地位，特别是对军事应用而言。
2016年，Xin Tang等[51]用一种简单高效的聚合物（聚甲基丙烯酸甲酯）辅助转移技术用于可扩展的多像素HgTe CQDs光电探测器的制备，该光电探测器阵列如图 5(a)所示，图 5(b)是不同尺寸HgTe CQDs的红外吸光度图，可以看到HgTe CQDs可以响应不同的红外光谱范围，最长吸收波长可达9.5μm，实验证明在低工作电压（<10 V）下，该器件最大室温响应率可达0.1 AW-1；2016年，Emmanuel Lhuillier等[52]提出了新一代基于HgSe CQDs红外光电探测器，图 5(c)是该探测器的结构图，经测试证明其探测率与之前器件相比提高2个数量级，光吸收可以在3~20 μm之间调节，尺寸可在5~40nm之间变化，载流子迁移率可达100 cm2V-1s-1，图 5(d)是不同尺寸HgSe CQDs的红外吸收光谱图，从图中可以看到HgSe CQDs对红外光的吸收覆盖了中波和长波大气窗口；2020年，Kaimin Xu等[53]报道了一种基于n型Si和p型PbS CQDs的倒置结构光电探测器，器件结构图如图 5(e)所示，图 5(f)和(g)分别是反向异质结和正常异质结能带示意图，可以看到反向异质结比正常异质结具有更低的能带偏置，反向异质结的低能带偏置有利于光电探测器的光生载流子收集，实验证明，该器件在1540nm无工作偏压的情况下具有1.47×1011Jones的高探测率，是目前该领域内最佳的Si/PbS光电探测器；2021年，Maral Vafaie等[54]提出了一种有效的方法，用带隙为0.8 eV的大尺寸胶体量子点制备了具有优异光电特性的短波红外（shortwave infrared, SWIR）光电探测器薄膜，图 5(h)是该器件的响应率曲线图，可以看到，该光电探测器在1550nm处表现出优越的外量子效率和合理的探测率，外量子效率（external quantum efficiency，EQE）达到了80%，响应率约为1 AW-1，图 5(i)是该器件的探测率曲线图，从图中可以知道，在1550nm处器件的探测率为8×1011Jones，另外，通过实验证明，该探测器的响应时间为10ns。
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图 5 量子点红外光电探测器及其性能: (a) HgTe CQDs光电探测器阵列[51]；(b) 不同尺寸HgTe CQDs的红外吸光度[51]；(c) HgSe CQDs红外光电探测器结构设计图[52]；(d) 不同尺寸HgSe CQDs的红外吸光度[52]；(e) Si/PbS CQDs光电探测器结构示意图[53]；(f)和(g) Si/PbS异质结的能带示意图[53]；(h) PbS CQDs光电探测器的响应率曲线图[54]；(i) PbS CQDs光电探测器的探测率曲线图[54]Figure 5. Quantum dots infrared photodetectors and their performances: (a) Image of HgTe CQDs photodetectors array[51]; (b) IR absorbance of HgTe CQDs with different sizes[51]; (c) Structure scheme of HgSe CQD IR photodetector[52]; (d) IR absorbances for small and large HgSe CQD[52]; (e) Structure of the Si/PbS CQDs photodetector[53]; Energy band diagram of Si/PbS heterojunction: (f) Inverted heterojunction and (g) normal heterojunction[53]; (h) Responsivity curve of PbS CQDs photodetector[54]; (i) Detectivity curve of PbS CQDs photodetector[542016年，Muhammad Sulaman等[55]报道了三元PbSxSe1-xQDs近红外光电二极管，图 6(a)是该二极管的SEM图片，比例尺为200nm，其体系结构自下到上为ITO/ZnO/PbSxSe1-xQDs/Au，从图中可见该器件薄膜厚度均匀且各层之间边界清晰，图 6(b)是该器件的I-V特性曲线及放置30天后的测试结果，其中红色线条为光照条件，黑色线条为黑暗条件，可以看到不管是在黑暗还是光照条件下，器件的测试结果变化不大，这意味着该器性能件非常稳定；2018年，Yicheng Tang等[56]报道了Au-PbS胶体量子点-铟锡氧化物肖特基结光电二极管，其结构如图 6(c)所示，图 6(d)为该光电二极管的探测率曲线图，可以看到，当光照条件为1550nm，Vds为0 V时，探测率高达2×1010Jones，这得益于该器件具有超低的暗电流；2018年，Amardeep Jagtap等[57]通过在基于HgTe CQDs光电二极管中集成一个单极势垒来减少暗电流的注入，进而增加信噪比，提高器件性能，该单极势垒可以通过带隙较宽的HgTe CQDs层来设计得到，光电二极管结构如图 6(e)所示，图 6(f)是该光电二极管的响应率曲线图，可以看到，随着p型HgTe CQDs厚度的变化，响应率也随之改变，插图为探测率直方图，从图中可以看到，随着加入p型势垒层厚度的增大，探测率也随之增加，达到了3×108Jones；2020年，Qiwei Xu等[58]报导了利用低迁移率的量子点（~10−3cm2V−1s−1）制作的超快PbS CQDs光电二极管，器件结构图如图 6(g)中所示，图 6(h)是该器件快速上升和下降边缘组成部分的瞬态测试结果放大示意图，可以看到，该器件在1 μs以下具有超快的响应时间，这可能是通过电阻-电容（resist-capacity, R-C）延迟和器件中的电荷快速传输实现的，此外，该光电二极管的外量子效率超过了100%，这可能与空穴传输层诱导的光导增益有关，光导增益结合低噪声电流使得其灵敏度提升，在1125nm光照条件下其探测率高达3.2×1011Jones；2020年，Neil Graddage等[59]首次报道了在1000~1400nm范围内具有高灵敏度的Ag2Se光电二极管，通过使用二次磷化氢提高前驱体的反应性，实现了Ag2Se纳米晶体的精确尺寸控制，使其具有明显的激子吸收峰，图 6(i)是Ag2Se纳米晶体的光吸收（黑色）和光致发光（photoluminescence，PL）（红色）发射光谱，可以看到吸收光谱显示出清晰近红外吸收特征，Ag2Se纳米晶体光吸收谱的第一个激子峰在1070nm处，其PL谱中在1327nm处有一个发射峰，测试表明，把Ag2Se纳米晶体从溶液中沉积到与染料敏化太阳能电池类似的介孔TiO2支架中，可以增加光吸收和电荷分离，并减少激子扩散长度。
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图 6 量子点光电二极管及其性能: (a) ITO/ZnO/PbSxSe1-xCQDs/Au光电二极管截面SEM图像[55]；(b) ITO/ZnO/PbSxSe1-xCQDs/Au光电二极管的I-V特性稳定性测试结果[55]；(c) Au/PbS CQDs/ITO光电二极管结构示意图[56]；(d) Au/PbS CQDs/ITO光电二极管探测率曲线图[56]；(e) ITO/TiO2/HgTe CQDs/Au光电二极管结构示意图[57]；(f) ITO/TiO2/HgTe CQDs/Au光电二极管响应率曲线图和探测率直方图[57]；(g) ITO/ZnO/PbS CQDs/Au光电二极管结构示意图[58]；(h) ITO/ZnO/PbS CQDs/Au光电二极管瞬态测试结果快速上升和下降边缘组成部分的放大示意图[58]；(i) Ag2Se CQDs的吸收光谱和光致发光发射光谱[59]Figure 6. Quantum dots photodiodes and their performances: (a) The SEM diagram of the cross-section of the ITO/ZnO/PbSxSe1-xCQDs/Au photodiode[55]; (b) Stability of I-V characteristics of ITO/ZnO/PbSxSe1-xCQDs/Au photodiode[55]; (c) Schematic of the Au/PbS CQDs/ITO photodiode structure[56]; (d) Detectivitie curve of the Au/PbS CQDs/ITO photodiode[56]; (e) Scheme of ITO/TiO2/HgTe CQDs/Au photodiode structure[57]; (f) Responsivity curve and detectivity histogram of ITO/TiO2/HgTe CQDs/ Au photodiode[57]; (g) Schematic of ITO/ZnO/PbS CQDs/Au photodiode structure[58]; (h) Zoom-in transient photocur- rent test showing components of fast rise and fall edges of ITO/ZnO/PbS CQDs/Au photodiode[58]; (i) Absorption spectrum and photoluminescence emission spectrum[59]3. 太阳能电池量子点薄膜
量子点除了可用于制备红外光电探测器外，还可用于制备太阳能电池，无论是日常生活或者是外太空探测活动，太阳能电池都起着不可估量的作用，另外，随着化石燃料使用的增加导致全球气候的变暖，人们越来越重视清洁能源的开发，而太阳能便属于清洁能源之一，由此可见，未来太阳能电池将成为研究的主要热点之一。
2019年，Xiaoliang Zhang等[60]用光电子能谱（photoelectron spectroscopy，PES）详细研究了用液态配体交换（liquid-state ligand exchange，LSLX）和固态配体交换（solid-state ligand exchange，SSLX）钝化PbS CQDs所制备的太阳能电池薄膜，图 7(a)和(b)分别是液态配体交换和固态配体交换后薄膜的AFM图像，液态配体交换后所得的薄膜的均方根粗糙度值为2.2nm，固态配体交换交换后所得的薄膜的均方根粗糙度值为9.6nm，可见经过液态配体交换所得到的薄膜质量较高，同时，PES测试结果表明，液态配体交换制备的太阳能电池薄膜可以减少光致电荷的复合，让器件形成良好的稳定性；2019年，Xiaokun Yang等[61]使用卤化物配体添加剂的方法优化PbS CQDs工艺来制备太阳能电池薄膜，图 7(c)是该器件截面的SEM图像，从图中可以看到各层薄膜之间边界清晰可见，各层厚度均匀，说明薄膜制备质量良好，图 7(d)是在有无卤化物配体添加剂情况下器件的J-V曲线图，光照条件为AM 1.5 G（100 mW cm−2），从图中可以看出，在使用卤化物配体添加剂下，器件的光伏电池效率（power conversion efficiency，PCE）值为10.78%，反之，另外的器件PCE值为9.56%，可见使用卤化物配体添加剂的方法可有效提高PbS CQDs太阳能电池的性能，这是因为该方法可以有效提高PbS CQDs薄膜的载流子迁移率，通过减少载流子的复合来提高器件性能；2020年，Yang Liu等[62]用PbSe QDs油墨制备太阳能电池，器件结构图如图 7(e)所示，图 7(f)是新制备的PbSe QDs油墨与存放半年后PbSe QDs油墨的对比图，从图中可知存放半年后的PbSe QDs油墨并没有发生聚集，说明PbSe QDs油墨具有良好的分散性和稳定性，由此让该太阳电池的PCE达到了10.38%；2020年，Yaohong Zhang等[63]为了有效提高量子点薄膜中的PbS CQDs层中的载流子迁移率，首次在PbS-PbX2（X=I−，Br−）中使用丁胺-修饰氧化石墨烯（butylamine-modified graphene oxide，BTA@GO）来制备薄膜，该薄膜结构如图 7(g)所示，在CQDs层中引入氧化石墨烯可以构建块体纳米异质结结构，提供平滑的载流子输运通道，进而提高载流子迁移率和电导率，延长载流子寿命，降低PbS-PbX2的陷阱密度，图 7(h)是该器件的PCE曲线图，从图中可以看出引入氧化石墨烯层的器件的PCE约为11.7%，远高于传统器件的PCE值；2020年，Yannan Zhang等[64]成功地证明了薄层有机体异质结（bulk-heterojunction，BHJ）夹层对改善PbS CQDs太阳能电池薄膜光伏性能的作用，图 7(i)是该器件的J-V曲线图，插图为PCE直方图，从图中可以看到，将PTB7-Th与多种n型受体共混的BHJ膜（PTB7-Th: PC71BM）作为空穴传输层（hole-transporting layer，HTL）引入PbS太阳能电池薄膜，与基于传统HTL（如用1，2-乙二硫醇处理PbS）的器件相比，混合器件的PCE值得到显著提高，约为12.02%。
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图 7 量子点太阳能电池及其性能: (a) SSLX PbS CQDs固体薄膜的AFM图像[60]；(b) LSLX PbS CQDs固体薄膜的AFM图像[60]；(c) ITO/ZnO/PbS QDs太阳能电池截面SEM图像[61]；(d) ITO/ZnO/PbS QDs太阳能电池的J-V曲线图[61]；(e) ITO/ZnO/PbSe QDs/PbS QDs/Au太阳能电池结构示意图[62]；(f) 不同浓度PbSe QDs油墨的胶体稳定性示意图[62]；(g) FTO/TiO2/PbS CQDs/Au太阳能电池结构示意图[63]；(h) FTO/TiO2/PbS CQDs/Au太阳能电池的PCE曲线图[63]；(i) ITO/ZnO/PbS CQDs/BHJ太阳能电池的J-V曲线图和PCE直方图[64]Figure 7. Quantum dots solar cells and their performances: (a) AFM image of the SSLX PbS CQDs solid film[60]; (b) AFM image of the LSLX PbS CQDs solid film[60]; (c) SEM image of the cross-section of the ITO/ZnO/PbS QDs solar cell[61]; (d) J-V curves of ITO/ZnO/PbS QDs solar cell[61]; (e) Scheme of the ITO/ZnO/PbSe QDs/PbS QDs/Au solar cell architecture[62]; (f) Colloidal stability of PbSe QD inks with different concentrations[62]; (g) Schematic diagram of the FTO/TiO2/PbS CQDs/Au solar cell structure[63]; (h) Statistical distribution of PCEs for FTO/TiO2/PbS CQDs/Au solar cell[63]; (i) J-V curves and PCE histograms of ITO/ZnO/PbS CQDs/BHJ solar cell[64]4. 结束语
近年来，基于量子点的光电器件逐渐成为研究热点，相比于制冷型光电探测器，基于量子点的光电探测器可以在室温下工作。此外，因量子点具有尺寸可调、带隙可控和廉价的溶液加工工艺而被广泛应用于光电探测器和太阳能电池的设计和开发，本文对几种不同的量子点合成技术进行了概述，并对国内外不同的基于量子点的光电探测器和太阳能电池进行了归纳和总结，可以看到，基于量子点的光电探测器和太阳能电池都取得了不错的研究进展，但仍面临着一些问题。其一，使用的量子点材料大多数是PbS CQDs，其他的无毒量子点的开发、制备及应用鲜有报道，其他无毒量子点的开发及应用非常重要，需要材料科学家与其他领域的科学家共同努力；其二，量子点和功能材料结合可以形成复合功能材料，从而可以发挥出各自材料的本身优点，这一方面已经有一些研究报道，但还需要进行深入的探索和研究；其三，高质量量子点薄膜对量子点光电器件的性能至关重要，厚度可控、大面积、高均匀性量子点薄膜的制备技术尤为重要，今后还需在该技术的研究上投入更多的人力、物力。
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图 1 红外热像仪结构模型（左）及安装面示意（右）
Figure 1. Sketch map of the model of infrared thermal imager(left) and the mounting surface(right)
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图 5 随机载荷条件下探测器组件等效应力云图
Figure 5. The equivalent stress plot of detector under the excitation of random vibration
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图 9 结构改进后探测器组件等效应力云图
Figure 9. The equivalent stress plot of detector after structure improved
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图 10 改进前后插针根部加速度功率谱密度
Figure 10. Acceleration PSD of pin root before and after improved
表 1 基于高斯分布的三区间法
Table 1 Three interval method based on Gauss distribution
Range of stress Probability of occurrence Number of cycles n [−1σ, 1σ] 68.3% 0.683vt+T [(−2σ, −1σ)∪(1σ, 2σ)] 27.1% 0.271vt+T [(−3σ, −2σ)∪(2σ, 3σ)] 4.33% 0.043vt+T Total 99.73% 0.997vt+T 
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