二维SnS光电探测器制备及性能优化研究

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光电探测器是一种将光信号转换为电信号的装置,在社会生产生活中发挥着不可替代的作用,而当前市面上基于Si、PbS、Hg1-xCdxTe等材料制成的光电探测器难以满足宽探测波段、高灵敏度的发展需求。近年来,二维层状材料因其超薄结构和优异的光电性能,被科研人员广泛研究。其中,以二维硫化亚锡为代表的IV族金属元素单硫化物,兼具适合的光学带隙和较强光吸收特性,是理想的光探测材料。目前二维SnS生长可控性不好,且其光电探测器性能有待提高。因此本工作首先优化二维SnS的物理气相沉积法工艺参数,提高其生长可控性;再利用金纳米颗粒(AuNPs)修饰二维SnS表面的方法,增强二维SnS的光吸收,提高二维SnS光电探测器的性能。具体研究内容及结果如下:(1)二维SnS纳米材料的可控制备。采用物理气相沉积法,通过调整生长温度、时间等工艺参数,实现了二维SnS的可控生长。将生长温度、生长时间、载气流速、气压等参数分别设置为580°C、10 min、70 sccm、100 Torr,成功地制备了较薄的二维SnS纳米片。(2)二维SnS光电探测器的制备及可见光-近红外波段光响应测试。利用紫外光刻技术,制备了双端二维SnS光电探测器。在功率2.1 mW的450 nm激光照射下,器件光响应率、响应时间、比探测率分别为161 A·W-1、0.18 s、1.6×109Jones;在808 nm近红外光下,器件响应率也达到了45.6 A·W-1。循环测试结果证明器件在450-808 nm波长范围内循环稳定性好。沿着二维SnS的[010]晶向的光电流是[001]晶向的1.7倍,器件表现出明显的光响应各向异性。(3)金纳米颗粒(AuNPs)修饰二维SnS光电探测器制备及性能研究。经AuNPs修饰后,二维SnS光电探测器在功率2.1 mW的450 nm激光下光电流、光响应率、外量子效率和比探测率分别达到1.53μA、507 A·W-1、1.42×105%和3.65×109Jones。其响应率和探测率是本征二维SnS光电探测器的3倍,外量子效率也显著提升。实验结果证明AuNPs修饰二维SnS表面所形成的局域光场,与二维SnS光栅压效应对器件性能的调节作用互相独立。
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