SnO2纳米纤维光电探测器的构筑及其性能调控

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日新月异的科学技术极大地推动了光电相关材料的发展。光电探测器由于可以检测特定波段的电磁波,目前已经广泛应用于国防军事、航空航天、环境检测、生物医学、光学通信以及化学分析等领域。作为高性能光电探测器的沟道材料,一维金属氧化物纳米结构由于具有出色的电学性能,较低的成本以及优异的环境稳定性,被认为是最有前景的候选材料之一。其中,相比In2O3、Zn O纳米纤维,SnO2纳米纤维由于载流子浓度较高、光敏性较高、稳定性好、储备量大、无毒且成本低等优点,更适合作为光电探测器的沟道材料。然而目前一维纯SnO2纳米纤维光电探测器仍然面临操作电压较高、暗电流较高、能耗较高、响应/恢复速度过慢、光谱响应范围窄等科学和应用问题。因此,选择低成本、易操控的方法来调控、提高SnO2纳米纤维光电探测器的性能极为重要。针对以上问题,我们通过异种元素掺杂和构建异质结的方法对SnO2纳米纤维光电探测器的电学及光电探测性能进行调控,并取得了如下成果:(1)利用静电纺丝技术,制备了不同掺杂比例的SnZnO纳米纤维,从而降低SnO2纳米纤维的载流子浓度。当掺杂比例Sn:Zn达到8:2时(Sn8Zn2Ox),Sn8Zn2Ox纳米纤维晶体管阈值电压调为正值,开/关电流比达到了5.87×106;0 V栅压下对应的暗电流低至9.6×10-12 A,同时在280 nm波长的光辐照下光敏性高至5.2×104,响应度达到了3.4 A W-1,探测率高达2.73×1017Jones。另外,经过500 s的持续加光测试之后,探测器的光、暗电流仍然保持良好的稳定性,电流没出现明显衰减。此外,我们还进行了光电晶体管的测试,发现该器件具有良好的记忆特性,在光读写和电擦除过程的重复测试3次后,其性能可以保持90%以上,这一结果为仿生记忆器件的制备提供了可能。(2)为了降低光电探测器的操作电压,同时提高器件响应和恢复速度、拓宽光谱响应范围,我们利用FTO玻璃作为基底构建了SnO2纳米管/钙钛矿异质结光电探测器。利用SnO2纳米管和FTO电极之间功函数差异构建了肖特基结,使得该器件的操作电压低至0.42 V。进而结合钙钛矿本身低缺陷快响应的优点,将钙钛矿薄膜覆盖在SnO2纳米管表面构筑了异质结光电探测器,其在保持SnO2纳米管优异的光敏性(2×103)的同时,响应/恢复时间降构建了低至0.075 s/0.04 s,光谱响应范围拓宽到220-800 nm。该优异的光电探测性能主要得益于SnO2纳米管和钙钛矿之间形成的Ⅱ型异质结,该异质结促进了光生电子-空穴对的分离。以上结果表明,合理的设计一维金属氧化物/钙钛矿异质结构是实现高性能光电探测器非常有效的途径之一。
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