NSR | 一瓶红外量子点墨水，让雨雾天汽车也能“看”得清

苏州大学马万里、刘泽柯、徐建龙团队，联合华中科技大学高亮团队发展了p型硫化铅（PbS）量子点墨水直接合成策略，无需传统配体交换步骤，即可制备出高度均匀的晶圆级、大面积导电薄膜。基于该墨水构建的全墨水加工短波红外成像器件在雾天车辆识别中表现出更强的鲁棒性。相关成果发表于《国家科学评论》。

在雾天行车环境中，传统可见光摄像头往往难以获得清晰图像：车辆轮廓易被雾气散射所模糊，远距离目标以及摩托车、行人等小型目标更容易发生漏检。这主要源于可见光在雾滴中的强散射效应。相比之下，短波红外光（波长约1.0~2.5 μm）受雾滴散射影响较小，具有更强的穿透能力，因此在全天候交通监测、自动驾驶感知以及智能安防等场景中具有重要应用潜力。

实现短波红外成像，需要能够高效吸收该波段光的半导体材料。PbS量子点兼具可溶液加工、吸收波段可调和低成本制备等优势，是新一代短波红外光电器件的重要候选材料。高性能PbS量子点器件通常依赖于能级匹配的p–n结结构。近年来，n型PbS量子点墨水已取得较大进展，而p型PbS量子点薄膜的大面积均匀制备仍是制约器件性能和规模化应用的关键瓶颈。传统方法依赖成膜后的固态配体交换（SSLE），该过程不仅难以实现均匀、充分的配体交换，还易导致薄膜开裂、氧化不均和器件性能波动。

近日，苏州大学与华中科技大学合作，成功开发出一种可直接合成的p型PbS量子点墨水。该策略完全摒弃了传统配体交换步骤，通过前驱体设计直接赋予量子点本征p型导电特性，从根本上抑制了薄膜开裂、氧化不均和像素响应差异等阵列级均匀性问题，为低成本、晶圆级短波红外成像芯片开辟了新的材料路线。

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量子点合成

研究团队以Pb(SCN)₂为铅源，引入具有不同对位取代基的含硫小分子配体，直接合成出具有p型电子特性的PbS量子点墨水。通过系统调控对位取代基的吸电子能力，实现了对量子点表面配体吸附能、生长动力学和能级结构的精确调控。在此基础上，结合种子-生长策略，将量子点的第一激子吸收峰从约1100 nm拓展至2000 nm以上。

图1. p 型 PbS 量子点墨水的直接合成与表面化学调控。

图2. 通过种子生长策略，量子点的第一激子吸收峰可从约 1100 nm 拓展至 2000 nm 以上。

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成膜和器件

更重要的是，该墨水无需任何配体交换步骤，直接通过旋涂等方式即可形成致密、无裂纹且电学性质高度均匀的p型量子点薄膜。在6英寸硅衬底上，墨水法薄膜厚度波动仅±0.31 nm（传统SSLE法为±7.82 nm），充分体现了墨水法的晶圆级均匀性优势。在此基础上，研究团队构建了全墨水加工PbS量子点p–n结短波红外探测器及640×512原型成像模块。单像素器件性能与传统SSLE器件相当，而成像阵列一致性显著提升：光响应非均匀性（PRNU）从10.57%降至5.79%，死像素比例从0.21%降至0.03%，热像素比例基本持平（0.46% vs 0.45%），有效提升了像素间响应一致性。

图3. 大面积薄膜均一性与电学均一性对比。墨水法可在 6 英寸硅片上形成厚度更均匀的薄膜，并在 10 cm × 10 cm ITO 基底上表现出更均一的方阻分布。

图4. 全墨水加工 PbS 量子点短波红外探测器及成像阵列性能。

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雾天应用

在真实交通场景测试中，雾天条件下可见光图像中车辆轮廓模糊，远距离及小型目标（如摩托车、行人）难以辨认；而量子点短波红外图像仍能保持清晰的目标轮廓，使这些目标更易被识别。采用相同识别算法和参数时，短波红外图像的召回率和F1分数均显著高于可见光图像，展现出更强的雾天鲁棒性。

图5. 量子点短波红外成像用于雾天车辆识别。

这项工作从墨水合成、均匀薄膜制备、光电探测器到成像系统，展示了面向晶圆级短波红外成像的全链条可扩展技术路线，为低成本、全天候红外视觉与硅基集成成像芯片提供了新的材料平台。

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Direct synthesis of p-type PbS quantum dot inks toward wafer-scale SWIR imaging

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag421

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