【摘 要】
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作为新型二维材料,二硫化锡(SnS2)具有储量丰富,环境友好以及性能优越的特性,成为近年来科研人员的重点关注对象。但是在器件应用方面,本征二硫化锡存在一定局限,很多时候需要对其固有特性进行调控,提升二硫化锡的综合性能。掺杂是有效调控半导体材料特性的一种方法,铟(In)元素属于第三主族,对二硫化锡在光催化、铁磁性等领域的特性有显著的调节作用,而铟掺杂二硫化锡在光探测领域的应用尚未得到充分研究。基于以
【基金项目】
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国家自然科学基金(61804043);
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作为新型二维材料,二硫化锡(SnS2)具有储量丰富,环境友好以及性能优越的特性,成为近年来科研人员的重点关注对象。但是在器件应用方面,本征二硫化锡存在一定局限,很多时候需要对其固有特性进行调控,提升二硫化锡的综合性能。掺杂是有效调控半导体材料特性的一种方法,铟(In)元素属于第三主族,对二硫化锡在光催化、铁磁性等领域的特性有显著的调节作用,而铟掺杂二硫化锡在光探测领域的应用尚未得到充分研究。基于以上背景本文分别制备了铟掺杂二硫化锡的粉末以及薄膜,并对其可见光检测性能展开系统研究,具体内容包括:1.本征二硫化锡的光探测性能研究:通过一步水热法制备了六方相SnS2纳米片。然后对样品的形貌、物相、元素成分以及晶格结构等方面进行表征,所制备的纳米片平均直径为210 nm,平均厚度约为20 nm,具有良好的纯度与结晶度。以ITO导电玻璃为基础,制备了基于SnS2粉末样品的光电探测器,在波长为405 nm以及532 nm的可见光下,器件表现出良好的光检测性能,光响应度为111.1μAW-1,归一化探测度为1.9×10~9Jones,但是器件的光响应时间较长,达到了2.4 s。2.水热法制备铟掺杂二硫化锡及光探测性能研究:通过第一性原理计算确定了In的替代掺杂。然后通过水热法制备了In掺杂的SnS2粉末,发现In掺杂有助于大尺寸SnS2纳米片的形成,但是对样品的形状与晶格结构有一定的负面影响。基于In掺杂SnS2制备的光电探测器,表现出了优异的响应速度,最快可达6 ms,相较于本征SnS2提升了大约三个数量级。原因在于In掺杂降低了SnS2的禁带宽度,存在于本征SnS2内部的深层陷阱被钝化,光生载流子被陷阱捕获以及释放的过程加快。3.机械剥离法制备铟掺杂二硫化锡及光探测性能研究:通过化学气相传输法制备了SnS2以及In掺杂SnS2单晶,单晶样品的生长表现出了高度选择性。随后通过机械剥离法制备了SnS2以及In掺杂SnS2二维样品,对其形貌,元素的组成以及分布进行了表征。二维样品的最大横向尺寸可达50μm,厚度约为6 nm,而且In掺杂使得SnS2的晶格间距轻微增加。In掺杂SnS2光电探测器的光响应度最高可达542.8 AW-1,外量子效率可达1.67×10~5%,归一化探测率可达5.81×1012 Jones,比本征SnS2的性能更加优异。响应速度略微降低,但仍保持在毫秒级。原因在于,In掺杂提高了SnS2的载流子迁移率,并且向SnS2内部引入了杂质能级,光生载流子被其捕获并释放,提升光电增益的同时降低了器件的响应速度。
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