Bi、Sb基硫属半导体纳米结构的设计合成及其在光探测器中的应用
锑、铋基硫属化合物是典型的窄带隙半导体材料，基于尺寸效应其纳米结构可显示出与块材明显不同的性质。其中，Sb2S3、Bi2S3和Sb2Se3纳米结构因其具有良好的光电性能，将在新一代光电子器件的构建和潜在应用中发挥重要作用。我们首次控制制备出厚度最低可达2.2 nm厚的超薄Bi2S3纳米片和直径低于20nm的超细Sb2Se3纳米线，并利用简单滴涂方法将其组装成高性能柔性光探测器。同时，还拓展了SbSI微米棒和Sb2Se3超长纳米线的合成途径，并首次研究了单根SbSI微米棒的光探测性能和Sb2Se3超长纳米线的光热响应性能，拓展了该类材料的性能和应用范围。本论文的主要研究内容概括如下: 1.发展了一种新的溶剂热合成方法第一次成功制备了厚度最低达2.2 nm的超薄Bi2S3纳米片。为了研究这种类似石墨烯的超薄纳米片的光电特性，我们利用所制备的Bi2S3超薄纳米片在柔性塑料薄片基底上利用简单滴涂方法形成的片-片组装结构，以Au做电极组装了柔性光探测器。测试发现，该器件对405-780nm波段的光都有非常好的响应性能。通过计算，所组装的Bi2S3超薄纳米片光探测器的响应度可达4.4AW-1，探测率达1011 Jones，并且具有非常快的响应速度，其光电流上升时间约20μs，下降时间为350μs。器件所表现的光探测性能优于商业Si探测器和很多其它二维纳米材料光探测器，另外一系列详细的测试证明该器件具有非常好的机械稳定性。进一步研究发现，Bi2S3超薄纳米片超高的结晶度、特殊的器件结构和表面吸附作用是器件实现较高光探测性能的重要因素。 2.发展了一个简单的以有机金属源为反应前驱源的溶剂热合成方法成功的制备了直径为10-20 nm长度达30μm的超细Sb2Se3纳米线。以三苯基锑和二苄基二硒为前驱源，以油胺和PVP为表面活性剂，以无水乙醇为溶剂，通过调节反应温度在200℃反应16h得到了超细Sb2Se3纳米线。另外，我们利用所合成的超细Sb2Se3纳米线首次以PET和普通打印纸为基底，以Cu/Au为电极组装了Sb2Se3纳米线柔性光探测器。测试表明，所组装的柔性光探测器均具有卓越的光电响应性能和良好的机械稳定性。Sb2Se3纳米线柔性光探测器能很好地满足柔性光电器件在实际应用中对低成本、可移动性和机械稳定性的要求。 3.发展了一种快速、温和的水热合成方法，利用盐酸调节溶液的酸度，在140℃反应4h成功地制备出SbSI微米棒状晶体。该制备方法成本低、效率高，可适合SbSI晶体的大规模工业化生产。通过改变盐酸浓度调节溶液酸度可控制制备出不同形貌和尺寸大小的SbSI晶体。同时，基于所合成的SbSI单根微米棒状晶体，以SiO2/Si为基底用ITO做电极首次组装了SbSI光探测器。通过系列测试发现，该器件具有显著的光电响应性能。其光电流和暗电流的比值可以高达727并且光电流的上升时间和下降时间都在0.3s之内。并且计算得到SbSI光探测器的探测能力（D*）和噪声等效功率分别为2.3×108Jones和1.7×10-10W/Hz1/2。 4.在油胺溶剂中，利用三苯基锑和二苄基二硒反应32h合成了超长Sb2Se3纳米线。并对有机前体的反应机制和Sb2Se3纳米线的生长过程以及各相异生长特征做了详细的研究。研究发现，Sb2Se3固有的原子结构特征是形成其纳米线形貌的主要原因，但油胺溶剂在纳米线直径的控制方面起着不可忽视的作用。在油胺溶剂中，Sb2Se3纳米线长度随反应时间的增加而增长，在这个过程中纳米线的直径几乎没有改变。对其光电性能的测试，证明超长Sb2Se3纳米线光探测器具有优越的光响应性能，响应时间达到了0.14s。另外，我们首次对Sb2Se3纳米线的光热响应进行了研究。发现，Sb2Se3纳米线在320-390 nm和400-450 nm光下均具有明显的光热响应而且相同质量的Sb2Se3纳米线的光热响应比其块材高出两倍多。
硫属半导体;纳米结构;光探测器;Bi2S3纳米片;Sb2Se3超细纳米线;光电响应
中国科学技术大学
博士
无机化学
杨晴
2015
中文
TN304.25;TL816.7
106
2015-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）