【摘 要】
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无线光通信具有丰富的光谱资源为无线通信技术开拓了崭新的空间。其中,紫外光通信技术因其非视距通信以及抗干扰的固有优势极具吸引力,作为其光接收端的紫外光探测器是实现信息准确传输的关键组成部分。目前商用光电倍增管和雪崩光电二极管仍是紫外光通信系统中采用的主要探测器。然而,它们高的外加电压、复杂的制备工艺和高昂的成本限制了紫外光通信系统的便携性和灵活性发展。自驱动光探测器作为无源的光接收端为紫外光通信技术
【基金项目】
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科技部； 教育部； 国家自然科学基金委；
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无线光通信具有丰富的光谱资源为无线通信技术开拓了崭新的空间。其中,紫外光通信技术因其非视距通信以及抗干扰的固有优势极具吸引力,作为其光接收端的紫外光探测器是实现信息准确传输的关键组成部分。目前商用光电倍增管和雪崩光电二极管仍是紫外光通信系统中采用的主要探测器。然而,它们高的外加电压、复杂的制备工艺和高昂的成本限制了紫外光通信系统的便携性和灵活性发展。自驱动光探测器作为无源的光接收端为紫外光通信技术提供了巨大的发展机遇,研发高性能自驱动光探测器具有非常重要的意义。本论文以自驱动光探测器的无线光通信应用为导向,围绕低维ZnO自驱动光探测器性能优化开展了一系列研究工作。在热释电光电子效应基础上先后引入局域表面等离激元共振、光热效应及界面工程,实现了无外场辅助下自驱动光探测器性能的显著提升,并系统深入地分析了各优化策略对异质结载流子行为的影响机制。在此基础上,利用低维ZnO自驱动光探测器作为光接收端设计并集成了具有高传输速率的紫外光通信系统。控制生长了 ZnO纳米线阵列（ZnO NWs）,设计构建了 Ag NPs@ZnO NWs/PEDOT:PSS异质结自驱动紫外光探测器,发展了局域表面等离激元共振增强热释电光电子效应的优化策略。在最佳Ag NPs修饰参数下,该Ag NPs@ZnO NWs/PEDOT:PSS自驱动紫外光探测器最大光响应度达25.4 mAW-1,比探测率极限为6.73×1010 Jones,光响应时间达到0.1 ms。揭示了局域表面等离激元共振增强ZnO NWs的光吸收、等离激元热效应强化ZnO NWs的热释电效应以及局部肖特基势垒的共同作用,实现了紫外光利用率与载流子分离效率的同时提升,从而显著优化了自驱动紫外光探测器的性能。控制制备了 Ti3C2Tx纳米片,合成了 Ti3C2Tx@PEDOT:PSS纳米复合材料。设计并构筑了 ZnO/Ti3C2Tx@PEDOT:PSS异质结自驱动紫外光探测器,利用Ti3C2Tx优异的导电性和光热转换效率来增强热释电光电子效应。在最佳Ti3C2Tx掺入量下,该ZnO/Ti3C2Tx@PEDOT:PSS自驱动紫外光探测器呈现优异的综合性能,最大光响应度达12.3 mA W-1,比探测率极限达1.47×1011 Jones,62.2 μs的快速响应时间,以及出色的开关循环稳定性。明晰了器件光响应性能大幅度提升是由于光热转换增强、PEDOT:PSS电导率提升以及异质结内建电场增大的共同作用,实现了在促进光生载流子分离和传输的同时有效抑制了其在界面处的复合。通过将 Ti3C2Tx纳米片用作界面修饰层,设计并构筑了ZnO/Ti3C2Tx/PEDOT:PSS异质结自驱动紫外光探测器,提出了界面工程协同热释电光电子效应的优化策略。在最佳Ti3C2Tx界面修饰浓度下,该ZnO/Ti3C2Tx/PEDOT:PSS自驱动紫外光探测器最大光响应度为17.1 mA W-1,比探测率极限达6.76×1011 Jones,响应时间低至30.9 μs。阐明了由于Ti3C2Tx与ZnO层间存在的势垒高度有效增大异质结内建电场,同时Ti3C2Tx修饰能有效钝化ZnO表面缺陷态以及热释电光电子效应的共同作用,获得了具有优异光响应性能的自驱动紫外光探测器。在低维ZnO自驱动光探测器的构筑与性能优化研究的基础上,设计并集成了一套基于自驱动光探测器的紫外光通信演示系统。该演示系统实现了使用通用串口通信协议在9600波特率下文本信息的高通量实时准确传输。证明了低维ZnO自驱动光探测器作为紫外光通信系统接收端实现高效信息传输的可行性和有效性,为自驱动紫外光探测器进一步发展和应用奠定了基础。
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