【摘 要】
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光探测器将光信号转换为电信号,可广泛应用于火焰、臭氧和环境监测、光通信、视觉和生物医学成像以及运动检测等众多领域。随着智能制造和物联网技术的快速发展,对于无线、可持续、多功能、独立运作的传感网络需求越来越大,外加电源供电实现光电信号转换的传统光探测器不能满足日益增长的新需求,从周围环境中提取能量而无需电池或外部电源供能的自供电光探测器具有免维护、无线操作、使用寿命长和低功耗等优点,可在一些特殊环境
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光探测器将光信号转换为电信号,可广泛应用于火焰、臭氧和环境监测、光通信、视觉和生物医学成像以及运动检测等众多领域。随着智能制造和物联网技术的快速发展,对于无线、可持续、多功能、独立运作的传感网络需求越来越大,外加电源供电实现光电信号转换的传统光探测器不能满足日益增长的新需求,从周围环境中提取能量而无需电池或外部电源供能的自供电光探测器具有免维护、无线操作、使用寿命长和低功耗等优点,可在一些特殊环境长期工作。基于光伏效应的P-N结自供电光探测器可利用光信号驱动器件工作,同时实现对光信号的探测,目前该类器件的光响应度和响应速度还需要进一步提高以满足各领域应用的需求。P型半导体和N型半导体的结晶质量以及P-N结界面的接触影响光生载流子的产生、分离和传输过程,进而影响自供电光探测器的性能。本论文构筑了具有紫外光响应特性的Bi OCl/Ti O2异质结自供电光探测器,利用II型异质结能带结构实现无外加偏压驱动下的光生载流子的分离和传输,在自供电条件下实现对紫外光的快速响应。通过调控Ti O2和Bi OCl的晶体结构、能带结构以及两者的界面接触,提高异质结中光生载流子分离和传输效率,提升了Bi OCl/Ti O2异质结自供电紫外光探测器的光响应特性。本论文的主要研究内容和结论如下:（1）异质结内建电场和界面转移电阻影响异质结光生载流子的分离和传输过程。通过调控Bi OCl/Ti O2异质结中锐钛矿相Ti O2薄膜的厚度和费米能级,优化异质结内建电场和光生电子的传输路径,提升异质结界面光生电子-空穴对的分离能力,降低载流子在Ti O2薄膜的复合几率,提高Bi OCl/Ti O2器件自供电条件下的紫外光响应特性。Bi OCl/Ti O2器件在Ti O2薄膜厚度为1μm,异质结内建电场为0.66 V时,在350 nm（0.18 m W/cm~2）光照下器件达到了10~3的开关比、0.17 A/W的光响应度、1.3×1012Jones的光探测率和23 ms的光响应速度。（2）有序阵列结构的异质结有助于提高光吸收和载流子定向传输能力,通过在一维金红石相Ti O2纳米棒阵列表面沉积二维Bi OCl纳米片构筑Bi OCl/Ti O2异质结自供电紫外光探测器。通过改变Bi OCl前驱液中Bi与Cl离子浓度调控Bi OCl在Ti O2纳米棒阵列表面的沉积,优化异质结界面接触,为光生载流子分离提供更多的界面,降低异质结界面转移电阻,提升载流子的传输能力。前驱液Bi与Cl离子浓度为25 mmol/L制备的Bi OCl/Ti O2器件呈现较好的自供电紫外光响应特性,380 nm光照下达到了10~3的开关比、0.14 A/W的光响应度、4.8×1011Jones的光探测率和7 ms的光响应速度。（3）具有铁电极化特性的半导体构筑异质结中,铁电材料内部的退极化场影响光生载流子的分离和传输特性。通过改变外加电场方向和大小调控Bi OCl内部的退极化场,当退极化场与异质结内建电场方向方向相反时器件的光电流值降低,当两者方向相同时,随着外加电场的增大,Bi OCl/Ti O2异质结器件的光电流值增大,退极化场促进了Bi OCl中光生载流子的分离和传输,提升了Bi OCl/Ti O2异质结光探测器的光电响应特性。器件经历5 V极化电压后,自供电条件下对380 nm的光响应度为0.28 A/W,光灵敏度达到2×10~3,光探测率为1.8×1012Jones。此外,利用Bi OCl/Ti O2异质结器件的偏振光响应特性,将不同偏振方向的偏振光进行编码,可以实现紫外偏振光加密信息的传输,提高数据传输的可靠性和安全性。
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