アイセーフLiDARアプリケーションに赤外重金属フリーQD

August, 27, 2025, Barcelona--ICFO(The Institute of Photonic Sciences)の研究チームは、短波赤外線(SWIR)光検出用のテルル化銀コロイド量子ドットの性能を大幅に向上させる新しい戦略を発表し、家庭用電化製品や自動車アプリケーションでのSWIR光検出の普及への道を切り開いた。

SWIRにある周波数領域は非常にユニークな特性を備えており、大気散乱の影響を受けにくいだけでなく、「目に安全」であるなど、いくつかのアプリケーションに最適である。これらには、レーザを使用して距離と距離を決定する方法である光検出および測距(LiDAR)、空間位置特定とマッピング、監視と自動車の安全性のための悪天候イメージング、環境モニタリングなどが含まれる。

しかし、SWIR光検出器は高価で製造が困難な材料に依存しているため、現在、SWIR光は科学機器や軍事用途などのニッチな分野に限定されている。ここ数年で、溶液処理された半導体ナノ結晶であるコロイド量子ドット（QD）が、主流の家庭用電化製品の代替品として登場した。有毒な重金属(鉛や水銀など)が一般的に使用されてきたが、QDはテルル化銀(Ag2Te)などの環境に優しい材料でも作ることができる。実際、テルル化銀コロイド量子ドットは、有毒な量子ドットに匹敵するデバイス性能を示している。しかし、それらはまだ初期段階にあり、実際のアプリケーションで使用する前に、いくつかの課題に対処する必要がある。

現在、ICFOの研究者であるDr.Yongjie Wang、Dr.Hao Wu、Carmelita Rodà、Dr.Lucheng Peng、Dr.Nima Taghipour、およびICREAのGerasimos Konstantatos教授が率いるMiguel Dosilは、これらの課題に対処するテルル化銀コロイド量子ドットを作成する新しい方法を実証した。チームはまた、無毒材料で作られたコロイド量子ドットを使用した初の概念実証SWIR LiDARを開発し、デシメートル分解能で10メートルを超える距離を測定することに成功した。Advanced Materialsに掲載されたこの研究は、消費者市場および自動車市場向けの実用的でコスト効率が高く、環境に優しいLiDARシステムに向けた重要な一歩を示している。

SWIR光検出のための非毒性コロイド量子ドットの課題の克服
テルル化銀コロイド量子ドットは、伝統的に、高い暗電流、限られた線形ダイナミックレンジ、応答速度という3つの課題に直面してきた。

暗電流は、光が存在しない場合でも光検出器を流れる小さな電流。暗電流が大きいとノイズが増加し、弱い信号に対する感度が制限される。LiDARアプリケーションの場合、距離が遠くなったり大気干渉があったりすると、信号の減衰が大きくなるため、最終的には遠くの物体を検出する能力が制限される。リニアダイナミックレンジとは、検出可能な最小光強度と最大光強度の間の範囲を指す。範囲が広いほど、SWIR検出器が感知して視覚化できるシーンのコントラストが高くなる。最後に、光検出器の応答速度は、入射光強度の変化にどれだけ速く反応できるかを測定する。高速応答により、正確な距離測定や光通信などが容易になる。

ICFOの研究者らは、わずか1年前にNature Photonics誌に自ら報告された以前の記録と比較して、3つの特徴すべてを大幅に改善した。具体的には、500nA/cm²未満の暗電流密度を達成した。1400nmでの外部量子効率は30%、LDRは150dBを超え、時間応答は25nsと速い。これらの成功した結果により、有害物質制限指令に準拠した材料で作られたコロイド量子ドットを初めて使用して、概念実証のSWIR LiDARを構築することができた。このデバイスはデシメートル分解能で10メートルを超える距離を測定し、LiDARアプリケーションにおけるテルル化銀コロイド量子ドットの有望な可能性を示している。

「プロジェクトの当初は、最終的なデバイス性能がこれほど大きく向上するとは予想していなかった」と、論文の最初の共著者であるDr.Yongjie Wangは回想している。チームはまず、効率を低下させる傾向がある表面欠陥を排除するために量子ドットの合成を最適化することから始めた。しかし、この戦略だけでは十分ではなかった。「当初、デバイスの性能はあまり満足のいくものではなかった。量子ドット薄膜に硝酸銀の後処理を適用して初めて、大きな改善が見られ、この最適化アプローチが有望であることを示唆した」と同氏は付け加えた。

提案されたエンジニアリング戦略は、コロイド量子ドットの費用対効果と製造上の利点を活用することで、SWIRオプトエレクトロニクスデバイスの開発を前進させると同時に、環境に優しい代替品としての性能を大幅に向上させる。今後の研究は、現実的な温度と湿度の条件下で、さらに高速な応答時間、より高い量子効率、より信頼性の高い動作を達成することに重点が置かれる。今回の研究を含むこれらの進歩により、家庭用電化製品へのSWIR光の普及という最終目標に一歩近づくと見られている。