近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所科研人員在可見-近紅外光電探測研究方面取得進展，獲得了高性能的可見-近紅外錫離子Sn2+敏化的PbS薄膜光電探測器。相關結果發(fā)表在Journal of Alloys and Compounds上。
光電探測在環(huán)境監(jiān)測、光通訊、生物醫(yī)學成像和軍事預警等領域具有廣泛應用前景。PbS是一種直接帶隙半導體，在可見光到紅外光范圍內具有較高的光吸收系數(shù)，非常適合作為可見-紅外光的探測材料，但是PbS中通常存在大量的缺陷，導致其光電性能較差。
前期，為提高光電響應度，研究團隊將金納米棒修飾到PbS的表面，借助金納米棒的等離共振增強效應將PbS的光響應度提升了125%-175%。通過改變金納米棒的高度，調整金納米棒的等離共振峰，進而將光響應的最佳位置從可見光范圍調整到近紅外光范圍。
目前，提高PbS光電特性的途徑主要是在PbS中增加敏化中心：第一，在氧氣環(huán)境中進行高溫快速熱處理，使PbS的帶隙中引入敏化中心和附加態(tài)能級，從而提高載流子壽命，但該方法重復性較差;第二，利用高能激光器對PbS薄膜進行增敏，由于受到激光光斑大小的影響，導致薄膜增敏不均勻，而且高能激光可能會破壞薄膜結構，因此難以規(guī)模化生產;第三，在化學沉淀PbS過程中進行化學敏化，通過在反應溶液中加入強氧化劑(過氧化氫、過氧化鈉、水合肼等)來引入敏化中心，雖然提高了敏化效率，但強氧化劑的大量使用使批量生產存在一定的安全隱患。
鑒于此，團隊科研人員采用安全有效的摻雜敏化法，通過添加Sn2+對PbS進行敏化來提高其光電特性。研究結果表明，Sn2+的加入延長了PbS薄膜形成的誘導期，提高了PbS結晶性，增大了晶粒尺寸，進而獲得了高質量的Sn2+敏化的PbS薄膜。Sn2+敏化的PbS薄膜在可見光到近紅外光的寬光譜范圍內表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能。在0.45 mW mm-2的980nm光照下，Sn2+敏化的PbS探測器光響應度達22.34 A W-1，探測率達2.26×1010cm Hz1/2W-1。與純PbS相比，其光響應度提高了約5倍，探測率提升了約7倍。同時，Sn2+敏化使得其響應時間降低到微秒量級，僅是純PbS薄膜探測器響應時間的十萬分之一。此外，該探測器對不同頻率的脈沖光響應的穩(wěn)定性高，在4 kHz高頻脈沖光照射下，仍具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和開關重復性能。
該工作表明，Sn2+敏化的PbS薄膜可以被用作探測紅外光的有效材料。
以上研究得到國家自然科學基金項目的資助。
關鍵詞： 可見-近紅外光電探測 PbS薄膜光電探測器 光電探測
營業(yè)執(zhí)照公示信息