2026年3月23日——东京农工大学工学研究院化学物理工程系博士生Dadan Suhendar、本科毕业生Yuto Aoki、本科生Chisa Nishiyama；该校工学研究院先进电气电子工程系副教授Satria Zulkarnaen Bisri；以及理化学研究所暨印度尼西亚国家研究与创新局博士后研究员Ricky Dwi Septianto，成功研制出基于外延连接量子点超晶格的高性能光电探测器。该研究为理解光电子在外延连接量子点超晶格（由规则排列的半导体纳米颗粒构成的材料）中的相互作用机制奠定了重要基础，标志着新一代高性能光电探测器设计迈出关键一步。

研究背景：纳米技术领域面临的核心挑战在于如何精确组装尺寸仅数纳米（1纳米为十亿分之一米）的半导体量子点，使其在保持独特“量子”特性的同时形成有序结构。科学家期望通过调控纳米颗粒自组装过程，构建大规模类晶体量子点网络。若实现这一目标，将推动太阳能电池板、光学传感器等新一代光电器件性能的飞跃式提升。

当前胶体量子点材料面临导电性差的瓶颈问题，其根源在于颗粒排列失序导致能级不均。这种结构缺陷会阻碍电荷传输，限制量子点器件性能。研究团队此前在硫化铅（PbS）量子点有序片层结构构建方面取得重大突破（2023年发表于《自然·通讯》）。这种新型结构中粒子排列高度有序，使材料导电性能提升约百万倍，甚至呈现类金属电荷传输特性。

但学界长期存在疑虑：量子点的核心价值在于其“量子限域”效应可实现电子行为的精准调控。若电子如金属中自由移动，可能削弱这一独特量子行为。这种新型有序结构对光电探测器等器件实际性能的影响机制尚不明确。本研究首次尝试构建并测试具有特殊连接构型的有序量子点结构光电探测器。

研究团队：该研究由东京农工大学工学研究院先进电气电子工程系Satria Zulkarnaen Bisri副教授领衔，实验工作由该校工学研究生院化学物理工程系博士生Dadan Sühender、工学部化学物理工程系（研究时在籍）的Yuto Aoki与Chisai Nishiyama、以及该校客座研究员/理化学研究所创发物性科学中心暨印尼国家研究与创新局博士后Ricky Dwi Septianto博士共同完成。研究获得池谷科学技术基金会、热电能技术基金会、先进通信技术研究支援中心（SCAT）及2024年度理化学研究所奖励研究经费支持。

研究成果：该团队首次证实仅需单层准二维外延连接PbS量子点超晶格（QDSL）作为活性材料，即可实现高性能光电探测器。这种材料中纳米级半导体量子点呈近平面排列，相邻颗粒特定晶面通过晶格直接连接，在保持量子点个体特性的同时促进电子跨颗粒传输。量子点研究长期面临两大特性的平衡难题：强量子限域效应（增强光吸收）与高效电荷传输（促进电信号流动）。传统量子点薄膜中绝缘分子隔离虽保持限域效应却阻碍电荷传输，而增强量子点间连接又可能削弱量子限域。

本研究首次实现二者协同优化。在外延连接超晶格结构中，量子点高度有序直接连接使电荷传输能力显著提升，同时优异吸光能力的量子限域效应几乎完全保留。得益于电荷传输改善，该光电探测器表现出超高响应度（对光信号的响应强度）与探测灵敏度（弱光信号识别能力），其性能超越已报道的光导型量子点探测器，堪比量子点与石墨烯等二维材料复合的先进杂化探测器。

进一步的光谱响应分析揭示了“微能带”形成机制——当大量量子点强耦合时，其电子态轻微重叠产生的新能带结构可实现电荷倍增效应（单个光子激发多个载流子），有望进一步提升探测器效率。该研究证实精确设计的量子点超晶格可同步实现强光吸收与高效电荷传输，为成像、传感、光通信及量子技术等领域的下一代光电探测器开辟了新路径。

未来展望：研究团队计划基于PbS外延连接量子点超晶格设计多样化器件结构，以追求更卓越的性能、更精准的光谱调谐及更快响应速度，并推动其实际应用转化。同时，开发含环保化合物的多元胶体量子点有序超晶格，将成为揭示这类人工材料体系丰富涌现特性的下一个前沿领域。