据麦姆斯咨询报道，近日，由太原学院和哈尔滨工业大学的研究人员组成的团队在《材料研究学报》期刊上发表了题为“自供能Ag/SnSe纳米管红外探测器的制备和性能研究”的最新论文，他们采用光沉积法在室温下制备了Ag修饰的SnSe纳米管（Ag/SnSe），在此基础上组装了Ag/SnSe纳米管红外探测器，并使用830nm的光作为红外模拟光源研究了红外探测性能。与SnSe纳米管红外探测器相比，Ag/SnSe纳米管红外探测器的最大光电流密度提高到120nA/cm²，上升时间和下降时间分别缩短到0.109s和0.086s。同时，Ag/SnSe纳米管红外探测器的稳定性较高，可循环使用。
图1 Ag/SnSe纳米管红外探测器的原理
红外探测器可用于军事探测、航空航天、生命科学和环境监测等领域。基于窄带隙半导体的红外探测器，由于其结构简单、性能稳定和易于制备，已经成为当前的研究热点。SnSe是一种重要的窄带隙半导体材料，其具有电导率和化学稳定性高和成本较低等优点，是制造红外探测器的理想材料。但是，光照后SnSe的电子-空穴对复合极快，使其载流子浓度降低，严重影响SnSe红外探测器的效率。抑制光生载流子复合提高单一半导体光电探测效率的方法，有元素掺杂、构建半导体异质结和贵金属修饰。其中，用贵金属纳米粒子修饰半导体，具有成本低、促进电子-空穴对分离快且操作简单的优点。
与其它贵金属（Au、Pt、Pd）相比，Ag具备无毒且价格较低、易制备、化学性质稳定等优点。同时，光沉积法成本较低和工艺简单，通过调整沉积时间、光强和前驱体溶液配比即可在室温下实现Ag纳米粒子的可控制备。同时，在各种SnSe纳米结构材料中一维SnSe纳米管具有高电子传输效率、几何异向性和量子限域效应，更有利于提高红外探测性能。因此，使用Ag修饰的SnSe纳米管有望制备出高性能红外探测器。
基于此，本文用光沉积法在SnSe纳米管表面修饰金属Ag纳米粒子，在室温下合成Ag修饰SnSe（Ag/SnSe）纳米管并以Pt为对电极组装红外探测器，研究其在模拟红外光（830nm）照射下的红外探测性能、光响应速度和循环稳定性，并讨论其机理。
Ag/SnSe纳米管红外探测器的制备
以Se纳米线为模板，用溶液法制备SnSe纳米管，然后将0.02g的SnSe纳米管加到30mL的0.05mol/L硝酸银溶液中并磁力搅拌使其分散均匀；用波长为365nm的紫外光照射溶液，光沉积15min后自然沉降5min。然后将得到的样品用去离子水清洗并离心分离出Ag/SnSe纳米管，重复2次后将其在烘箱中低温干燥。
将制备出的Ag/SnSe纳米管分散在无水乙醇中，然后旋涂到FTO导电面后烘干，将这一过程重复三次，获得Ag/SnSe纳米管薄膜。以负载在FTO表面的Ag/SnSe纳米管薄膜为工作电极，以镀Pt的FTO为对电极，通过热封膜将工作电极和对电极相连接，中间注入聚硫电解质溶液后密封。
性能表征
使用透射电子显微镜（TEM）表征了Ag/SnSe纳米管的微观结构，结果如图2a所示。从图2a中的单根Ag/SnSe纳米管TEM照片可观察到纳米管表面包裹了大量层次分明的鱼鳞状纳米片，边缘两侧比中间颜色更深，表明其为中空管状结构。同时，还明显可见Ag纳米颗粒均匀地负载在鱼鳞状纳米片表面。Ag/SnSe纳米管的高分辨TEM照片，如图3b所示。在照片中观察到的0.208nm的晶格条纹对应SnSe 的（141）晶面，而0.123nm的晶格条纹则与Ag（311）晶面对应。
图2 Ag/SnSe纳米管的TEM和高分辨TEM照片
在无外加偏压条件下用830nm的光作为红外光模拟光源，开启红外光照射10s后关闭红外光10s作为一个测试周期，研究了Ag/SnSe纳米管探测器对红外光的探测性能，其结果如图3所示。在无红外光照射时Ag/SnSe纳米管红外探测器为静默状态，光电流密度几乎为零；开启红外光后器件瞬间产生光电流并快速攀升至最大值120nA/cm²，然后逐渐稳定。关闭红外光后，光电流迅速衰减并恢复到初始状态。经过6次开关循环，电流密度曲线没有明显的变化，这表明，所组装的探测器具备高电流密度和较好的耐用性。同时，器件能在无偏压条件下稳定工作，表明其具有自供能特性。在相同的实验条件下测试了SnSe纳米管红外探测器的性能，其光电流密度只有46nA/cm²，比Ag/SnSe纳米管红外探测器的光电流密度降低了61%。这表明，Ag纳米粒子修饰明显提高了SnSe纳米管探测器对红外光的探测性能。
图3 SnSe纳米管和Ag/SnSe纳米管红外探测器在开/关红外光照射下的电流密度曲线
探测器的响应时间，是评价其探测性能的一个关键参数。光电流从初始值升至峰值的63%所用的时间定义为上升时间，光电流从峰值降至峰值的37%所用的时间定义为下降时间。图4给出了器件的单周期光电响应特征曲线。从图4可见，SnSe纳米管红外探测器的上升时间和下降时间分别为0.174和0.349s。用Ag纳米粒子修饰后，上升时间和下降时间分别缩短至0.109和0.086s。这表明，Ag纳米粒子修饰SnSe纳米管不仅增强了SnSe纳米管探测器的光电流，也提高了对红外光的响应速度。
图4 SnSe纳米管和Ag/SnSe纳米管红外探测器单个周期的光电响应特征曲线
结论
用光沉积法将Ag纳米颗粒沉积在鱼鳞状中空SnSe纳米管表面，在室温下制备Ag/SnSe纳米管。Ag/SnSe纳米管表面粗糙致密，在表面能观察到微小的Ag纳米粒子。与SnSe纳米管探测器相比，用Ag修饰的SnSe纳米管红外探测器的光电流密度提高了约160%（达到120nA/cm²）、光响应速度也明显改善、上升时间缩短至0.109s、下降时间缩短至0.086s，且具有较高的循环稳定性。
本研究获得了国家重点研发计划（2019YFA0705201）和黑龙江省自然科学基金（LH2020E033）的支持。
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
