【摘 要】
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近年来,具有优异光电性能的紫外光电探测器(UVPDs)在工业生产和科学研究方面越来越重要。传统的基于光电导型的UVPDs需要一个外部电源来驱动,这对于在远距离和极端环境条件下的电源充电和替换带来了诸多不便。基于光电化学型的紫外探测器不仅能够实现自驱动,而且环境适应性强,可实现在远程操控环境下的独立自主、可持续、长时间的工作。基于目前对不同材料和结构的自供电UVPDs的研究,如何进一步提高UVPDs
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近年来,具有优异光电性能的紫外光电探测器(UVPDs)在工业生产和科学研究方面越来越重要。传统的基于光电导型的UVPDs需要一个外部电源来驱动,这对于在远距离和极端环境条件下的电源充电和替换带来了诸多不便。基于光电化学型的紫外探测器不仅能够实现自驱动,而且环境适应性强,可实现在远程操控环境下的独立自主、可持续、长时间的工作。基于目前对不同材料和结构的自供电UVPDs的研究,如何进一步提高UVPDs的光电响应度、光响应速率、长期稳定性等是目前研究的热点。本文主要研究工作和创新如下:(一)使用黑色二氧化钛纳米管阵列(TNAs)作为光电阳极材料,提高UVPDs的光电响应性能。通过电化学阳极氧化法制备出定向有序的TNAs,在惰性气体氩气中退火还原制备出黑色TNAs,从而诱导产生了氧空位(OVs)和Ti3+缺陷态能级,不仅增加了半导体材料中的施主电子浓度,提高材料导电性,而且所形成的电子陷阱可以抑制电子-空穴对复合,有助于光响应电流密度的大幅度增加。(二)在光电阳极材料表面修饰单壁碳纳米管(SWCNTs),改善UVPDs的光电响应性能。通过在TNAs表面修饰0.1%wt的SWCNTs,不仅能够使入射光子多次散射和吸收,增强光捕获效应和激发产生表面等离子体效应,而且SWCNTs/TNAs接触界面产生的内建电位可以促进电子-空穴对的分离和载流子运输,高比表面积的SWCNTs还作为空穴受体积累光生空穴,为氧化还原物质提供足够的活性反应位点,从而增强光响应性能。(三)改进光电阳极与对电极的封装形式,提高UVPDs的光电响应性能。与传统的器件封装结构相比,UVPDs的光电阳极与对电极紧密接触式的封装结构不仅缩短了两个电极之间的距离,降低了载流子的复合率,而且所构成的多孔道电化学反应阵列结构能够使载流子定向迁移,从而提高载流子的传输速率。本文所研究的以S2-/Sx2-为电解质的基于SWCNTs/黑色TNAs的UVPD的光响应电流密度可达133.5μA/cm2,光响应度为~60 mA/W,开/关电流比为~4.3×103,光响应时间的上升时间为4 ms、衰减时间为27 ms。基于SWCNTs/黑色TNAs/I-/I3-的UVPD最大光响应电流密度可达159.7 μA/cm2,相比以S2-/Sx2-电解质的UVPD又进一步提高了19.6%。
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