SnSx/TiO2异质结自驱动光响应特性研究

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硫锡族化合物中的SnS和SnS2为典型的二维(2D)层状结构半导体,具有优良的光电特性,与其他材料具有很好的兼容性。窄带隙SnS和SnS2能够很好地利用可见光,在太阳能电池、光催化、光探测等领域备受关注。TiO2具有稳定的物理和化学性质,广泛应用于光电器件。2D SnS、SnS2和一维TiO2纳米棒阵列(1D TiO2 NRs)复合可构筑2D/1D的混合维度纳米结构异质结光探测器。利用1D TiO2 NRs载流子定向传输优势,降低载流子复合几率;同时利用2D SnSx(SnS和SnS2)大的比表面积,为光生载流子分离提供更多的界面。对于纳米结构的异质结光探测器,界面能级结构、界面态等会影响光生载流子的分离和传输,器件光电流、响应速度等有待进一步提高。因此调控纳米结构的异质结界面接触、减少界面态,提高载流子传输能力有助于提高光探测器性能。本论文采用简单的化学浴法以1D TiO2 NRs为基底沉积2D SnSx纳米片,制备SnSx/TiO2异质结光探测器。通过改变沉积条件(反应物浓度、生长时间、溶剂等)调控SnSx纳米片形貌、晶体结构、能带结构等提升SnSx/TiO2异质结光探测器性能。论文主要研究内容和结论如下:(1)TiO2 NRs比表面积比较大,表面存在的悬挂键会引起羟基、水分子等物质的吸附,在影响其它材料在其表面沉积的同时,这些表面吸附及缺陷态会影响所制备复合异质结界面光生载流子的分离和传输。采用酸溶液对TiO2 NRs表面处理,减少表面态,提高了SnSx纳米片沉积的均匀性和附着力。器件对紫外光呈无外加电源驱动的光响应特性,酸溶液处理TiO2 NRs的SnSx/TiO2异质结器件光响应能力提升。(2)SnSx纳米片的能带结构影响SnSx/TiO2 NRs异质结器件光响应特性。通过前驱体反应物Sn和S的浓度变化进行SnSx纳米片中Sn4+和Sn2+比例的调控,引起SnSx费米能级位置、光学带隙、载流子浓度的改变。SnSx纳米片能带变化影响了SnSx/TiO2异质结界面能带弯曲程度、导带或者价带的势垒/势阱以及界面处光生载流子的复合和分离过程。SnSx/TiO2异质结器件在自驱动条件,呈现窄的紫外光谱选择性,对不同波长呈现正负电流值,实现波长调控的二元光响应特性。(3)SnSx/TiO2异质结二元光响应特性与异质结界面的载流子复合有关。为了进一步提高器件二元光响应特性,选择异丙醇为溶剂,控制Sn和S原子沉积速率,提高异质结界面接触。通过控制SnSx纳米片合成时间改变SnSx中SnS和SnS2相比例,调控异质结能带结构、界面转移电阻以及载流子的传输。SnSx/TiO2异质结器件在自驱动条件,波长调控的二元光响应的正向电流峰值在375 nm,负向电流峰值在400 nm,光响应速度小于3 ms。
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