【摘 要】
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红外光电探测在气象预测、军事侦察、环境监测和智慧医疗等领域具有广泛的应用前景,采用成本低、可批量生产的方法制备性能优异、自供电的红外探测器是研究重点之一。TiO2具有较强的电子传输能力,业已用于和金属复合制备热电子型红外光电探测器。但金属对红外光的吸收有限,且金属中所产生的热电子光电流受到金属和TiO2之间肖特基势垒和缺陷的影响,导致光电流较小,响应速度慢。本文瞄准红外探测器的性能提升开展工作,构
【基金项目】
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国家自然科学基金（Nos.51671183,51701207,51971210）
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红外光电探测在气象预测、军事侦察、环境监测和智慧医疗等领域具有广泛的应用前景,采用成本低、可批量生产的方法制备性能优异、自供电的红外探测器是研究重点之一。TiO2具有较强的电子传输能力,业已用于和金属复合制备热电子型红外光电探测器。但金属对红外光的吸收有限,且金属中所产生的热电子光电流受到金属和TiO2之间肖特基势垒和缺陷的影响,导致光电流较小,响应速度慢。本文瞄准红外探测器的性能提升开展工作,构筑了 TiO2薄膜基复合材料,采取多种方法提升光电流、探测率、开关比和响应速度。本论文的主要内容如下:（1）发展了紫外光辐照调制红外光产生的热电子光电流的方法。采用简单的溶胶凝胶法批量制备了 TiO2薄膜,构筑了 Au/TiO2/FTO光电探测器,并借助紫外光将红外光产生的热电子光电流放大十几倍,大幅度提升光响应速度。发现紫外光对势垒的降低和载流子对缺陷的填充效应提高了热电子的注入效率和促进了热电子传输,而提高紫外光的功率密度促使热电子光电流迅速达到稳定状态。这一工作,为增大探测器光电流、提高响应速度提供了简单的实现途径。（2）提出了结合紫外光辐照和稀土掺杂降低背底电流、提高开关比的新思路。制备了 Tb3+掺杂的TiO2薄膜,并构筑了 Au/TiO2:Tb3+/FTO光电探测器。通过TiO2与Tb3+之间发生的能量转移和电荷转移,有效地抑制了紫外光激发TiO2发生带间跃迁所产生的电流,大幅度减小了近红外光产生的热电子光电流的背底电流。和纯TiO2探测器相比,Tb3+掺杂将探测率提高6倍,开关比提升约4万倍。（3）提出了基于Sn2+敏化提高PbS薄膜光电特性的策略。采用化学浴沉积的方法制备Sn2+敏化的PbS薄膜,发现Sn2+敏化提高了 PbS结晶性,增大了晶粒尺寸,提高了 PbS中的自由载流子浓度,延长了载流子寿命,将光电探测器的光响应度提高约5倍,探测率提升约7倍,响应速度提升105倍。这展现了Sn2+敏化的PbS薄膜具有较高的应用前景。（4）基于前几章的实验结果,构筑了能够自供电的Au/PbS/TiO2/FTO异质结光电探测器。发现,引入PbS红外光吸收层能将探测器对红外光的响应光电流提升了几十倍:由于PbS和TiO2之间形成的内建电场促进光生载流子分离,光响应的上升/下降时间达44μs/37μs;探测器的稳定性较好,经过1200次的开关转换,光电流变化小于5%。这一工作为理解和设计自供电的异质结光电器件提供了参考。
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