近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所科研人員在可見-近紅外光電探測研究方面取得進(jìn)展，獲得了高性能的可見-近紅外錫離子Sn2+敏化的PbS薄膜光電探測器。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Journal of Alloys and Compounds上。
光電探測在環(huán)境監(jiān)測、光通訊、生物醫(yī)學(xué)成像和軍事預(yù)警等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。PbS是一種直接帶隙半導(dǎo)體，在可見光到紅外光范圍內(nèi)具有較高的光吸收系數(shù)，非常適合作為可見-紅外光的探測材料，但是PbS中通常存在大量的缺陷，導(dǎo)致其光電性能較差。
前期，為提高光電響應(yīng)度，研究團(tuán)隊(duì)將金納米棒修飾到PbS的表面，借助金納米棒的等離共振增強(qiáng)效應(yīng)將PbS的光響應(yīng)度提升了125%-175%。通過改變金納米棒的高度，調(diào)整金納米棒的等離共振峰，進(jìn)而將光響應(yīng)的最佳位置從可見光范圍調(diào)整到近紅外光范圍。
目前，提高PbS光電特性的途徑主要是在PbS中增加敏化中心：第一，在氧氣環(huán)境中進(jìn)行高溫快速熱處理，使PbS的帶隙中引入敏化中心和附加態(tài)能級(jí)，從而提高載流子壽命，但該方法重復(fù)性較差;第二，利用高能激光器對PbS薄膜進(jìn)行增敏，由于受到激光光斑大小的影響，導(dǎo)致薄膜增敏不均勻，而且高能激光可能會(huì)破壞薄膜結(jié)構(gòu)，因此難以規(guī)模化生產(chǎn);第三，在化學(xué)沉淀PbS過程中進(jìn)行化學(xué)敏化，通過在反應(yīng)溶液中加入強(qiáng)氧化劑(過氧化氫、過氧化鈉、水合肼等)來引入敏化中心，雖然提高了敏化效率，但強(qiáng)氧化劑的大量使用使批量生產(chǎn)存在一定的安全隱患。
鑒于此，團(tuán)隊(duì)科研人員采用安全有效的摻雜敏化法，通過添加Sn2+對PbS進(jìn)行敏化來提高其光電特性。研究結(jié)果表明，Sn2+的加入延長了PbS薄膜形成的誘導(dǎo)期，提高了PbS結(jié)晶性，增大了晶粒尺寸，進(jìn)而獲得了高質(zhì)量的Sn2+敏化的PbS薄膜。Sn2+敏化的PbS薄膜在可見光到近紅外光的寬光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能。在0.45 mW mm-2的980nm光照下，Sn2+敏化的PbS探測器光響應(yīng)度達(dá)22.34 A W-1，探測率達(dá)2.26×1010cm Hz1/2W-1。與純PbS相比，其光響應(yīng)度提高了約5倍，探測率提升了約7倍。同時(shí)，Sn2+敏化使得其響應(yīng)時(shí)間降低到微秒量級(jí)，僅是純PbS薄膜探測器響應(yīng)時(shí)間的十萬分之一。此外，該探測器對不同頻率的脈沖光響應(yīng)的穩(wěn)定性高，在4 kHz高頻脈沖光照射下，仍具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和開關(guān)重復(fù)性能。
該工作表明，Sn2+敏化的PbS薄膜可以被用作探測紅外光的有效材料。
以上研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
關(guān)鍵詞： 可見-近紅外光電探測 PbS薄膜光電探測器 光電探測
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