【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員費(fèi)廣濤課題組在納米材料光電探測研究方面取得系列進(jìn)展。
V2O5納米線有序陣列的SEM圖像
相關(guān)研究工作分別發(fā)表在Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18(48): 32691-32696、J. Mater. Chem. C, 2017, 5(6): 1471-1478、Appl. Surf. Sci., 2017, 407: 7-11和J. Mater. Sci., (DOI: 10.1007/s10853-017-0959-z)上，部分工作已申請中國發(fā)明。
光電探測在醫(yī)療診斷、生化分析、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有著重要作用，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。提高探測器的響應(yīng)度、信噪比、響應(yīng)速度以及可實(shí)用化是研究人員一直努力追求的目標(biāo)。課題組研究人員圍繞這一目標(biāo)開展了系列工作，在用于光電探測的納米材料的制備及性能優(yōu)化方面，取得了新進(jìn)展：分別制備了釩氧化物納米線有序陣列、二氧化釩/碳納米管復(fù)合薄膜、碲(Te)納米線有序陣列以及碲化鉛(PbTe)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)納米線等，并在上述材料基礎(chǔ)上構(gòu)筑了原型探測器。相關(guān)研究表明，結(jié)晶完好的納米線能夠有效降低電子輸運(yùn)中的界面和缺陷等因素影響，使電子傳輸通道更為順暢，基于順排納米線和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)納米線制備的光電探測器性能明顯提高。
成功制備大尺寸高度有序的氧化釩納米線陣列
目前納米材料光電特性的研究大部分集中在單根納米線方面，他人的研究表明，單根納米線的光電特性要好于常規(guī)市售的光電探測器。然而，由于單根納米線的有效光照面積很小，導(dǎo)致所產(chǎn)生的光電流很小，需要非常精密的儀器來測量。如果將單根納米絲排列起來，形成有序陣列，這樣既可以發(fā)揮納米材料光電特性好的優(yōu)點(diǎn)，又能夠大限度地增加有效光照面積?；诖耍n題組付文標(biāo)等采用水熱法制備了結(jié)晶度高、缺陷少的氧化釩納米線，并將其順排起來，成功地制備了大尺寸高度有序的氧化釩納米線陣列，陣列尺寸可以達(dá)到平方毫米量級。所制備的V2O5光電探測器原型器件在入射波長為450nm下，表現(xiàn)出高的探測性能，器件響應(yīng)度為160.3 mA/W，探測率為6.5×108Jones，響應(yīng)時間為17~12 ms(J. Mater. Chem. C, 2017, 5(6): 1471-1478)。這項(xiàng)工作對推進(jìn)陣列結(jié)構(gòu)制備和在光電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用都具有重要意義。
光電探測在醫(yī)療診斷、生化分析、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有著重要作用，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。提高探測器的響應(yīng)度、信噪比、響應(yīng)速度以及可實(shí)用化是研究人員一直努力追求的目標(biāo)。課題組研究人員圍繞這一目標(biāo)開展了系列工作，在用于光電探測的納米材料的制備及性能優(yōu)化方面，取得了新進(jìn)展：分別制備了釩氧化物納米線有序陣列、二氧化釩/碳納米管復(fù)合薄膜、碲(Te)納米線有序陣列以及碲化鉛(PbTe)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)納米線等，并在上述材料基礎(chǔ)上構(gòu)筑了原型探測器。相關(guān)研究表明，結(jié)晶完好的納米線能夠有效降低電子輸運(yùn)中的界面和缺陷等因素影響，使電子傳輸通道更為順暢，基于順排納米線和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)納米線制備的光電探測器性能明顯提高。
成功制備大尺寸高度有序的氧化釩納米線陣列
目前納米材料光電特性的研究大部分集中在單根納米線方面，他人的研究表明，單根納米線的光電特性要好于常規(guī)市售的光電探測器。然而，由于單根納米線的有效光照面積很小，導(dǎo)致所產(chǎn)生的光電流很小，需要非常精密的儀器來測量。如果將單根納米絲排列起來，形成有序陣列，這樣既可以發(fā)揮納米材料光電特性好的優(yōu)點(diǎn)，又能夠大限度地增加有效光照面積?；诖耍n題組付文標(biāo)等采用水熱法制備了結(jié)晶度高、缺陷少的氧化釩納米線，并將其順排起來，成功地制備了大尺寸高度有序的氧化釩納米線陣列，陣列尺寸可以達(dá)到平方毫米量級。所制備的V2O5光電探測器原型器件在入射波長為450nm下，表現(xiàn)出高的探測性能，器件響應(yīng)度為160.3 mA/W，探測率為6.5×108Jones，響應(yīng)時間為17~12 ms(J. Mater. Chem. C, 2017, 5(6): 1471-1478)。這項(xiàng)工作對推進(jìn)陣列結(jié)構(gòu)制備和在光電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用都具有重要意義。
V2O納米線陣列光電探測器性能
制備的二氧化釩/碳納米管復(fù)合薄膜，具有較強(qiáng)紅外光電響應(yīng)
熱紅外探測器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)引起探測器的溫度變化而實(shí)現(xiàn)探測的，相對于光子型紅外探測器來說，熱紅外探測器的優(yōu)勢是其與入射光波長無關(guān)，可以工作在室溫，且成本低。VO2(M)具有較大的溫度電阻系數(shù)，碳納米管具有熱容小、導(dǎo)熱快的特點(diǎn)。將VO2(M)與碳納米管復(fù)合起來，形成雙層復(fù)合薄膜，這樣就可以充分利用兩者的優(yōu)勢，將碳納米管上吸收的熱迅速傳給VO2(M)，大限度地增大紅外光電特性。他們和清華大學(xué)納米科技研究中心教授姜開利課題組合作，制備了碳納米管與VO2雙層復(fù)合膜。這種VO2(M)/碳納米管雙層復(fù)合膜的紅外光電響應(yīng)特性明顯高于單純的VO2薄膜(J. Mater. Sci., DOI: 10.1007/s10853-017-0959-z)。
VO2(M)/碳納米管復(fù)合薄膜制備及紅外探測曲線圖
碲納米線有序陣列紅外探測器研究取得進(jìn)展
碲是一種窄帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下帶隙約為0.35eV，具有優(yōu)越的光電性能。相對于具有大量界面的納米晶薄膜來說，單晶納米線晶界少，對光生載流子的散射效應(yīng)弱，因此表現(xiàn)出良好的光電特性，是目前研究的一大熱點(diǎn)。如前所述，將單根納米線順排組裝起來，形成有序陣列，將可以發(fā)揮納米材料光電特性好的優(yōu)點(diǎn)，又能夠大限度增加有效光照面積。
仲斌年等制備了尺寸均一的碲納米線，并組裝成大面積有序排列的納米線陣列?；谶@種大面積有序排布的碲納米線陣列的紅外光電探測器原型器件表現(xiàn)出好的紅外響應(yīng)特性。與無序排布的碲納米線器件相比，它的響應(yīng)率大幅度提高，響應(yīng)時間縮短。這一工作揭示了有序陣列結(jié)構(gòu)在光電探測方面的巨大優(yōu)勢。該工作以背封面論文發(fā)表在Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18(48): 32691-32696上。
PCCP雜志第18卷第48期背封面
碲化鉛納米線紅外探測的性能研究取得進(jìn)展
基于碲化鉛(PbTe)的紅外探測器具有可覆蓋中遠(yuǎn)紅外波段、探測噪聲低、量子效率高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在紅外探測方面有著廣闊的應(yīng)用前景。目前PbTe紅外探測器主要是以納米顆粒組成的薄膜形式存在，但是薄膜中納米顆粒之間的界面等會對電子輸運(yùn)產(chǎn)生阻礙，導(dǎo)致探測器性能降低。MSM型光探測器是一種金屬-半導(dǎo)體-金屬式接觸的光伏探測器，可以看成是一對背靠背相連的肖特基勢壘二極管，這種結(jié)構(gòu)探測器的暗電流通常很小。課題組宮欣欣等結(jié)合單晶納米線與MSM型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了一種PbTe單晶納米線MSM結(jié)構(gòu)的紅外探測器原型器件。研究表明，這種探測器原型器件具有好的循環(huán)穩(wěn)定性，響應(yīng)時間在毫秒量級，比顆粒組成的薄膜快很多(詳見Appl. Surf. Sci., 2017, 407: 7-11)。
PbTe納米線紅外探測器光電曲線及響應(yīng)時間曲線
以上工作得到國家重大科學(xué)研究計(jì)劃課題和多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
?。ㄔ瓨?biāo)題：合肥研究院在光電探測研究方面取得系列進(jìn)展）
