在自动驾驶、环境感知和精密测绘等领域，激光雷达（LIDAR）技术正变得越来越重要。然而，传统激光雷达系统面临成本高昂、材料有毒以及对肉眼可能存在风险等挑战。近日，ICFO的研究团队在这一领域取得了突破性进展，他们利用一种无毒、环保的红外量子点材料，开发出了高性能的短波红外（SWIR）传感器，为构建下一代灵敏、快速且“人眼安全”的激光雷达系统铺平了道路。

为何选择短波红外（SWIR）？

短波红外（通常指波长在1-2微米之间的光，特别是1500纳米左右）拥有独特的优势：

• 人眼安全：该波段的激光不易聚焦于视网膜，因此可以在使用更高功率时仍保证安全，从而探测更远的距离。
• 抗干扰能力强：相较于可见光，SWIR能更好地穿透雾、霾、烟尘和雨水，在恶劣天气下提供更清晰的视野。
• “不可见”的探测：SWIR光对人眼不可见，非常适合用于需要隐蔽性的监控和传感应用。

尽管前景广阔，但传统的SWIR光电探测器通常基于铟镓砷（InGaAs）等材料，这些材料制备工艺复杂、成本极高，长期以来主要局限于科研和军事用途，难以普及到消费和汽车市场。

量子点：颠覆性的解决方案

胶体量子点（CQDs）作为一种溶液处理的半导体纳米晶体，带来了转机。它们可以通过低成本的方式（如旋涂、喷墨打印）制成薄膜，非常适合大规模生产。然而，此前高性能的SWIR量子点大多含有铅（Pb）或汞（Hg）等有毒重金属，其应用受到环保法规（如欧盟RoHS指令）的限制。

ICFO团队将目光投向了碲化银（Ag₂Te）——一种由无毒元素组成的材料。虽然基于Ag₂Te的量子点此前已被开发，但其器件性能一直面临三大核心挑战：

1. 高暗电流：在无光条件下存在的电流，会产生噪声，淹没微弱的返回信号，极大限制探测距离和灵敏度。
2. 有限的线性动态范围（LDR）：难以在同一场景中同时清晰分辨非常暗和非常亮的物体。
3. 响应速度慢：无法快速响应光脉冲，从而限制了测量速度和精度，这对高速激光雷达至关重要。

ICFO的突破：性能飞跃

在Gerasimos Konstantatos教授的带领下，ICFO团队通过创新的材料合成和器件后处理工艺，成功攻克了这些难题。他们开发的新方法将Ag₂Te量子点薄膜的缺陷降至极低水平，并特别采用硝酸银后处理策略，显著优化了器件性能。

其成果令人瞩目，较之前记录实现了大幅提升：

• 极低的暗电流密度：< 500 nA/cm²，有效降低了噪声。
• 高外量子效率（EQE）：在1400纳米波长处高达30%，意味着光子到电子的转换效率非常高。
• 超宽线性动态范围：> 150 dB，能够捕捉高对比度的复杂场景。
• 超快时间响应：快至25纳秒，足以满足高速、高精度激光雷达测距的要求。

从实验室到概念验证：首个无重金属量子点激光雷达

基于这项突破，研究团队构建了首个基于RoHS合规（无重金属）胶体量子点的概念验证型SWIR激光雷达系统。实验演示表明，该系统成功实现了超过10米距离的精确测量，并达到了分米级的分辨率。这证明了Ag₂Te量子点光电探测器在实际应用中的巨大潜力。

迈向未来的消费级应用

这项发表在《先进材料》上的研究，标志着环保型SWIR光电探测器发展中的一个重要里程碑。它不仅提供了一种高性能、低成本、无毒的SWIR传感解决方案，更首次将其与激光雷达这一关键应用紧密结合。

未来，研究将继续致力于提升器件在真实环境下的稳定性、响应速度和量子效率。随着这些技术的不断成熟，我们有望很快看到由无毒量子点驱动的SWIR传感器和激光雷达走出实验室，广泛应用于自动驾驶汽车、消费电子产品、工业监控和环境传感中，为我们创造一个更安全、更智能的未来。