自供能Ag/SnSe納米管紅外探測(cè)器的制備和性能研究

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由太原學(xué)院和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在《材料研究學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了題為“自供能Ag/SnSe納米管紅外探測(cè)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(chǔ)上組裝了Ag/SnSe納米管紅外探測(cè)器，并使用830nm的光作為紅外模擬光源研究了紅外探測(cè)性能。與SnSe納米管紅外探測(cè)器相比，Ag/SnSe納米管紅外探測(cè)器的最大光電流密度提高到120nA/cm2，上升時(shí)間和下降時(shí)間分別縮短到0.109s和0.086s。同時(shí)，Ag/SnSe納米管紅外探測(cè)器的穩(wěn)定性較高，可循環(huán)使用。

圖1 Ag/SnSe納米管紅外探測(cè)器的原理

紅外探測(cè)器可用于軍事探測(cè)、航空航天、生命科學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?；谡瓗?a target="_blank">半導(dǎo)體的紅外探測(cè)器，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定和易于制備，已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。SnSe是一種重要的窄帶隙半導(dǎo)體材料，其具有電導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性高和成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是制造紅外探測(cè)器的理想材料。但是，光照后SnSe的電子-空穴對(duì)復(fù)合極快，使其載流子濃度降低，嚴(yán)重影響SnSe紅外探測(cè)器的效率。抑制光生載流子復(fù)合提高單一半導(dǎo)體光電探測(cè)效率的方法，有元素?fù)诫s、構(gòu)建半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)和貴金屬修飾。其中，用貴金屬納米粒子修飾半導(dǎo)體，具有成本低、促進(jìn)電子-空穴對(duì)分離快且操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

與其它貴金屬（Au、Pt、Pd）相比，Ag具備無毒且價(jià)格較低、易制備、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，光沉積法成本較低和工藝簡(jiǎn)單，通過調(diào)整沉積時(shí)間、光強(qiáng)和前驅(qū)體溶液配比即可在室溫下實(shí)現(xiàn)Ag納米粒子的可控制備。同時(shí)，在各種SnSe納米結(jié)構(gòu)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(yīng)，更有利于提高紅外探測(cè)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(cè)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(duì)電極組裝紅外探測(cè)器，研究其在模擬紅外光（830nm）照射下的紅外探測(cè)性能、光響應(yīng)速度和循環(huán)穩(wěn)定性，并討論其機(jī)理。

Ag/SnSe納米管紅外探測(cè)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(fù)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(dǎo)電面后烘干，將這一過程重復(fù)三次，獲得Ag/SnSe納米管薄膜。以負(fù)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(duì)電極，通過熱封膜將工作電極和對(duì)電極相連接，中間注入聚硫電解質(zhì)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(jié)構(gòu)，結(jié)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(cè)比中間顏色更深，表明其為中空管狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還明顯可見Ag納米顆粒均勻地負(fù)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(duì)應(yīng)SnSe 的（141）晶面，而0.123nm的晶格條紋則與Ag（311）晶面對(duì)應(yīng)。

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(guān)閉紅外光10s作為一個(gè)測(cè)試周期，研究了Ag/SnSe納米管探測(cè)器對(duì)紅外光的探測(cè)性能，其結(jié)果如圖3所示。在無紅外光照射時(shí)Ag/SnSe納米管紅外探測(cè)器為靜默狀態(tài)，光電流密度幾乎為零；開啟紅外光后器件瞬間產(chǎn)生光電流并快速攀升至最大值120nA/cm2，然后逐漸穩(wěn)定。關(guān)閉紅外光后，光電流迅速衰減并恢復(fù)到初始狀態(tài)。經(jīng)過6次開關(guān)循環(huán)，電流密度曲線沒有明顯的變化，這表明，所組裝的探測(cè)器具備高電流密度和較好的耐用性。同時(shí)，器件能在無偏壓條件下穩(wěn)定工作，表明其具有自供能特性。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)試了SnSe納米管紅外探測(cè)器的性能，其光電流密度只有46nA/cm2，比Ag/SnSe納米管紅外探測(cè)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(cè)器對(duì)紅外光的探測(cè)性能。

圖3SnSe納米管和Ag/SnSe納米管紅外探測(cè)器在開/關(guān)紅外光照射下的電流密度曲線

探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，是評(píng)價(jià)其探測(cè)性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。光電流從初始值升至峰值的63%所用的時(shí)間定義為上升時(shí)間，光電流從峰值降至峰值的37%所用的時(shí)間定義為下降時(shí)間。圖4給出了器件的單周期光電響應(yīng)特征曲線。從圖4可見，SnSe納米管紅外探測(cè)器的上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為0.174和0.349s。用Ag納米粒子修飾后，上升時(shí)間和下降時(shí)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(qiáng)了SnSe納米管探測(cè)器的光電流，也提高了對(duì)紅外光的響應(yīng)速度。

圖4SnSe納米管和Ag/SnSe納米管紅外探測(cè)器單個(gè)周期的光電響應(yīng)特征曲線

結(jié)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(cè)器相比，用Ag修飾的SnSe納米管紅外探測(cè)器的光電流密度提高了約160%（達(dá)到120nA/cm2）、光響應(yīng)速度也明顯改善、上升時(shí)間縮短至0.109s、下降時(shí)間縮短至0.086s，且具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性。