氧等离子体处理对二维SnS2纳米片光电性能的影响研究

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二硫化锡(SnS2)具有层状结构、合适的带隙(~2.2 e V)、高的吸收系数(104cm-1)和廉价、易得等优点。这些特性使其在电子学、光电子学和能量存储等领域得到了广泛的研究。由于SnS2存在大量的本征S空位缺陷引起的光吸收效率低以及费米能级钉扎效应,导致其光响应度低、响应速度慢等;此外,SnS2光电探测器目前的光谱响应范围在560 nm以下,探测光谱范围有限,限制了其在光探测中的应用。近年来,大量研究表明,通过利用等离子体对二维材料的改性,可以对二维材料的晶体结构、物理化学性质等产生显著影响,进而调控其光电性能。在此背景下,本论文选择氧等离子体对SnS2进行处理,并对等离子体处理前后材料的晶体结构、光电性能进行研究,通过实验和理论计算揭示等离子体对材料的作用机理,探究材料性能变化的内在原因,进而对SnS2光电性能改性起到指导作用。主要研究内容和结果如下:1.通过氧等离子体处理机械剥离的少层SnS2,引入氧原子并形成捕获缺陷态,进而提高其光电响应。经过等离子体处理之后SnS2纳米片的载流子迁移率为3.10 cm2V-1s-1,提高了15%。在350 nm光照下,经O2等离子体处理的SnS2光电探测器的光响应度从385 AW-1提高到860 AW-1,提高了124%。外量子效率从1.3×105%提高到3.1×105%,提高了138%。比灵敏度从4.5×109Jones提高到1.1×1010Jones,提高了144%。同时,在器件的快速响应恢复速度方面,随着处理时间的延长,器件的响应速度(τr)和恢复(τd)速度分别从12和17 s提高到0.7和0.6 s。2.通过提高氧等离子体处理的时间和功率,掺杂浓度进一步提高,实验和理论计算的结果表明在本征能带结构中引入亚能级,从而拓宽其光电器件光谱响应范围。由于亚能级的存在,导致SnS2的光谱响应范围从带隙的截止波长~560 nm拓宽到了~750nm。这种通过强等离子体处理引入亚能级的方法对于二维材料的能带调控以及光电性能的改性具有重要意义。
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