中科院在可见-近红外光电探测研究方面取得新进展

MEMS 2021-09-12 00:00

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所科研人员在可见-近红外光电探测研究方面取得进展,获得了高性能的可见-近红外锡离子Sn²⁺敏化的PbS薄膜光电探测器。相关结果发表在Journal of Alloys and Compounds上。



光电探测在环境监测、光通讯、生物医学成像和军事预警等领域具有广泛应用前景。PbS是一种直接带隙半导体,在可见光到红外光范围内具有较高的光吸收系数,非常适合作为可见-红外光的探测材料,但是PbS中通常存在大量的缺陷,导致其光电性能较差。

前期,为提高光电响应度,研究团队将金纳米棒修饰到PbS的表面,借助金纳米棒的等离共振增强效应将PbS的光响应度提升了125%-175%。通过改变金纳米棒的高度,调整金纳米棒的等离共振峰,进而将光响应的最佳位置从可见光范围调整到近红外光范围。

目前,提高PbS光电特性的途径主要是在PbS中增加敏化中心:第一,在氧气环境中进行高温快速热处理,使PbS的带隙中引入敏化中心和附加态能级,从而提高载流子寿命,但该方法重复性较差;第二,利用高能激光器对PbS薄膜进行增敏,由于受到激光光斑大小的影响,导致薄膜增敏不均匀,而且高能激光可能会破坏薄膜结构,因此难以规模化生产;第三,在化学沉淀PbS过程中进行化学敏化,通过在反应溶液中加入强氧化剂(过氧化氢、过氧化钠、水合肼等)来引入敏化中心,虽然提高了敏化效率,但强氧化剂的大量使用使批量生产存在一定的安全隐患。

鉴于此,团队科研人员采用安全有效的掺杂敏化法,通过添加Sn²⁺对PbS进行敏化来提高其光电特性。研究结果表明,Sn²⁺的加入延长了PbS薄膜形成的诱导期,提高了PbS结晶性,增大了晶粒尺寸,进而获得了高质量的Sn²⁺敏化的PbS薄膜。Sn²⁺敏化的PbS薄膜在可见光到近红外光的宽光谱范围内表现出优异的光电性能。在0.45 mW mm⁻²的980nm光照下,Sn²⁺敏化的PbS探测器光响应度达22.34 A W⁻¹,探测率达2.26×10¹⁰ cm·√Hz·W⁻¹。与纯PbS相比,其光响应度提高了约5倍,探测率提升了约7倍。同时,Sn²⁺敏化使得其响应时间降低到微秒量级,仅是纯PbS薄膜探测器响应时间的十万分之一。此外,该探测器对不同频率的脉冲光响应的稳定性高,在4 kHz高频脉冲光照射下,仍具有优异的稳定性和开关重复性能。

该工作表明,Sn²⁺敏化的PbS薄膜可以被用作探测红外光的有效材料。以上研究得到国家自然科学基金项目的资助。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160860



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