基于SnO2@TiO2纳米核壳结构光电化学紫外探测器的研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liupu555
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紫外探测技术由于其在民用和商用、军事、航天及医学方面有着很大的应用价值而受到了人们的广泛关注和研究。近年来,与一般的p-n结和肖特基结型UVPDs相比,同样作为光伏型紫外探测器的基于宽禁带半导体材料的光电化学自供能紫外探测器(PEC UV-PD)由于其独特的优势引起了人们极大的研究兴趣。PEC UV-PD主要有两个优势:(1)较高的光响应度;(2)利用的原料丰富且无毒,制作工艺简单,成本较低。SnO2是一种重要的n型半导体,通常以四方的金红石相存在。SnO2在很多方面都具备较好的灵敏性,包括化学传感、生物传感及紫外线传感等。由于SnO2的电子迁移率(约100-200 cm2·V-1·s-1)和禁带宽度(3.6-3.8 eV)都高于TiO2(约0.1-1 cm2·V-1·s-1,3.2 eV),且其具备很快的光响应速度、可见盲特性以及很好的长期稳定性,故SnO2在PEC UVPDs领域作为TiO2的替代物是很有前景的。目前,纳米结构如纳米颗粒、纳米棒/线及纳米管等已经被广泛的研究用于设计合理的表面形貌。具有高比表面积的纳米颗粒能提高UVPDs的性能,但大规模的光阳极和电解质之间的接触面提供了复合界面,使得光生电子很容易与电解液中的离子复合。相比之下,一维纳米结构具备更快的光生电荷传输速度和相对较低的光生电荷与电解质复合的几率。首先,本课题利用简单水热法在FTO导电玻璃基底上制备SnO2纳米线阵列,并将其作为光阳极制作PEC UVPDs。通过优化水热反应条件(SnCl4·5H2O的质量为0.408 g、反应温度为95°C、反应时间为48 h)获得了光电性能最佳的SnO2纳米线阵列光阳极,在波长为365 nm,功率为40 mW·cm-2的紫外光照射下,PEC UV-PD产生的光电流J为0.798 mA·cm-2,光响应度Rλ为20 mA·W-1,开关比为475。为了进一步提高基于SnO2纳米线阵列的PEC UV-PD的光电性能,利用简单化学反应在SnO2纳米线阵列上包覆了TiO2,制备了一系列不同包覆时间(20 min、30 min、40 min、50 min)的SnO2@TiO2纳米核壳结构,有效地抑制了SnO2光阳极/电解质界面处光生电荷的复合,从而提高了SnO2纳米线阵列基PEC UV-PD的光电性能。基于最优包覆条件(包覆时间为40 min)下制备的SnO2@TiO2纳米核壳结构的PEC UV-PD在波长为365 nm,功率为40 mW·cm-2的紫外光照射下,产生的光电流J达到4.23 mA·cm-2,光响应度Rλ达到106 mA·W-1,是基于SnO2纳米线阵列的PEC UV-PD(J为0.798 mA·cm-2,Rλ为20 mA·W-1)的5倍之多,开关比为5423,远高于基于SnO2纳米线阵列的PEC UV-PD的475的开关比。此外,PEC UV-PD具备良好的稳定性、可重复性以及较快的光响应速度,上升时间τr和下降时间τd分别为0.022 s和0.024 s,且入射光强在1-40 mW·cm-2范围内变化时,器件产生的光电流密度随光强的增加基本呈线性增加,表明器件在精准测量紫外线方面的应用有很大的潜力。
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