自供能Ag/SnSe納米管紅外探測器的制備和性能研究

據麥姆斯咨詢報道，近日，由太原學院和哈爾濱工業大學的研究人員組成的團隊在《材料研究學報》期刊上發表了題為“自供能Ag/SnSe納米管紅外探測器的制備和性能研究”的最新論文，他們采用光沉積法在室溫下制備了Ag修飾的SnSe納米管（Ag/SnSe），在此基礎上組裝了Ag/SnSe納米管紅外探測器，并使用830nm的光作為紅外模擬光源研究了紅外探測性能。與SnSe納米管紅外探測器相比，Ag/SnSe納米管紅外探測器的最大光電流密度提高到120nA/cm2，上升時間和下降時間分別縮短到0.109s和0.086s。同時，Ag/SnSe納米管紅外探測器的穩定性較高，可循環使用。

圖1 Ag/SnSe納米管紅外探測器的原理

紅外探測器可用于軍事探測、航空航天、生命科學和環境監測等領域?；谡瓗?a target="_blank">半導體的紅外探測器，由于其結構簡單、性能穩定和易于制備，已經成為當前的研究熱點。SnSe是一種重要的窄帶隙半導體材料，其具有電導率和化學穩定性高和成本較低等優點，是制造紅外探測器的理想材料。但是，光照后SnSe的電子-空穴對復合極快，使其載流子濃度降低，嚴重影響SnSe紅外探測器的效率。抑制光生載流子復合提高單一半導體光電探測效率的方法，有元素摻雜、構建半導體異質結和貴金屬修飾。其中，用貴金屬納米粒子修飾半導體，具有成本低、促進電子-空穴對分離快且操作簡單的優點。

與其它貴金屬（Au、Pt、Pd）相比，Ag具備無毒且價格較低、易制備、化學性質穩定等優點。同時，光沉積法成本較低和工藝簡單，通過調整沉積時間、光強和前驅體溶液配比即可在室溫下實現Ag納米粒子的可控制備。同時，在各種SnSe納米結構材料中一維SnSe納米管具有高電子傳輸效率、幾何異向性和量子限域效應，更有利于提高紅外探測性能。因此，使用Ag修飾的SnSe納米管有望制備出高性能紅外探測器。

基于此，本文用光沉積法在SnSe納米管表面修飾金屬Ag納米粒子，在室溫下合成Ag修飾SnSe（Ag/SnSe）納米管并以Pt為對電極組裝紅外探測器，研究其在模擬紅外光（830nm）照射下的紅外探測性能、光響應速度和循環穩定性，并討論其機理。

Ag/SnSe納米管紅外探測器的制備

以Se納米線為模板，用溶液法制備SnSe納米管，然后將0.02g的SnSe納米管加到30mL的0.05mol/L硝酸銀溶液中并磁力攪拌使其分散均勻；用波長為365nm的紫外光照射溶液，光沉積15min后自然沉降5min。然后將得到的樣品用去離子水清洗并離心分離出Ag/SnSe納米管，重復2次后將其在烘箱中低溫干燥。

將制備出的Ag/SnSe納米管分散在無水乙醇中，然后旋涂到FTO導電面后烘干，將這一過程重復三次，獲得Ag/SnSe納米管薄膜。以負載在FTO表面的Ag/SnSe納米管薄膜為工作電極，以鍍Pt的FTO為對電極，通過熱封膜將工作電極和對電極相連接，中間注入聚硫電解質溶液后密封。

性能表征

使用透射電子顯微鏡（TEM）表征了Ag/SnSe納米管的微觀結構，結果如圖2a所示。從圖2a中的單根Ag/SnSe納米管TEM照片可觀察到納米管表面包裹了大量層次分明的魚鱗狀納米片，邊緣兩側比中間顏色更深，表明其為中空管狀結構。同時，還明顯可見Ag納米顆粒均勻地負載在魚鱗狀納米片表面。Ag/SnSe納米管的高分辨TEM照片，如圖3b所示。在照片中觀察到的0.208nm的晶格條紋對應SnSe 的（141）晶面，而0.123nm的晶格條紋則與Ag（311）晶面對應。

圖2Ag/SnSe納米管的TEM和高分辨TEM照片

在無外加偏壓條件下用830nm的光作為紅外光模擬光源，開啟紅外光照射10s后關閉紅外光10s作為一個測試周期，研究了Ag/SnSe納米管探測器對紅外光的探測性能，其結果如圖3所示。在無紅外光照射時Ag/SnSe納米管紅外探測器為靜默狀態，光電流密度幾乎為零；開啟紅外光后器件瞬間產生光電流并快速攀升至最大值120nA/cm2，然后逐漸穩定。關閉紅外光后，光電流迅速衰減并恢復到初始狀態。經過6次開關循環，電流密度曲線沒有明顯的變化，這表明，所組裝的探測器具備高電流密度和較好的耐用性。同時，器件能在無偏壓條件下穩定工作，表明其具有自供能特性。在相同的實驗條件下測試了SnSe納米管紅外探測器的性能，其光電流密度只有46nA/cm2，比Ag/SnSe納米管紅外探測器的光電流密度降低了61%。這表明，Ag納米粒子修飾明顯提高了SnSe納米管探測器對紅外光的探測性能。

圖3SnSe納米管和Ag/SnSe納米管紅外探測器在開/關紅外光照射下的電流密度曲線

探測器的響應時間，是評價其探測性能的一個關鍵參數。光電流從初始值升至峰值的63%所用的時間定義為上升時間，光電流從峰值降至峰值的37%所用的時間定義為下降時間。圖4給出了器件的單周期光電響應特征曲線。從圖4可見，SnSe納米管紅外探測器的上升時間和下降時間分別為0.174和0.349s。用Ag納米粒子修飾后，上升時間和下降時間分別縮短至0.109和0.086s。這表明，Ag納米粒子修飾SnSe納米管不僅增強了SnSe納米管探測器的光電流，也提高了對紅外光的響應速度。

圖4SnSe納米管和Ag/SnSe納米管紅外探測器單個周期的光電響應特征曲線

結論

用光沉積法將Ag納米顆粒沉積在魚鱗狀中空SnSe納米管表面，在室溫下制備Ag/SnSe納米管。Ag/SnSe納米管表面粗糙致密，在表面能觀察到微小的Ag納米粒子。與SnSe納米管探測器相比，用Ag修飾的SnSe納米管紅外探測器的光電流密度提高了約160%（達到120nA/cm2）、光響應速度也明顯改善、上升時間縮短至0.109s、下降時間縮短至0.086s，且具有較高的循環穩定性。