基于Se/TiO2纳米纤维的自驱动光电探测器特性研究报告
研究作者及发表信息
本文的主要作者包括于平平、段伟和姜岩峰，来自江南大学物联网工程学院电子工程系（位于江苏无锡）。该项研究以“基于Se/TiO2纳米纤维的自驱动光电探测器特性”为题，发表在《光学学报》第42卷第14期（2022年7月）。
研究背景
光电探测技术在科学研究、军事领域、空间探索和医学等多个领域具有广泛应用。然而，随着光电子器件的集成度不断提高，传统光电探测器的生产工艺和能耗问题使其难以满足日益增长的需求。同时，纳米技术的发展为新一代材料的开发提供了可能性，尤其是一维纳米材料因其独特的物理、化学和电学特性备受科研界关注。
二氧化钛（TiO2）是一种宽禁带半导体，因其仅对紫外光敏感以及光生电子-空穴对复合速率快，限制了其在光电探测器中的应用范围。为拓宽其光谱响应范围和提高光电性能，研究选择加入具有宽光谱光敏特性的硒（Se），通过构建异质结结构来实现这一目标。本研究旨在利用Se与TiO2纳米纤维（TiO2NF）形成的异质结，制备一种宽光谱、高性能的自驱动光电探测器。
研究流程与方法
研究分为如下几个主要步骤：
制备TiO2纳米纤维（TiO2NF）
- 工艺流程：使用静电纺丝技术制备一维定向排列的TiO2纳米纤维。首先将0.5 g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶解于20 mL无水乙醇，加入6.7 g冰醋酸和3.5 g钛酸丁酯，在室温下磁力搅拌4小时，直到形成均匀的纺丝液。
- 纺丝过程：溶液通过0.3 mm/min的推速注入，正高压和负高压分别为12 kV和-10 kV，接收距离为1 cm×2.5 cm。将纺丝样品经60°C干燥2小时，再以1°C/min的升温率加热至500°C保温1小时，最终得到定向排列且表面光滑的TiO2纳米纤维。
- 物理特性：制备出的纤维直径约为50 nm，长度超过500 μm，纺丝时间能够调控纤维阵列密度。
Se/TiO2NF异质结的构建
- 制备方法：化学气相沉积法用于将Se纳米颗粒均匀沉积到TiO2NF表面，从而形成异质结。
- 操作参数：将硒粉置于石英舟中，在330°C下保持10分钟，使用200 cm³/min的高纯氩气作为载气。Se纳米颗粒均匀附着在TiO2纤维表面，使其直径从50 nm增加到约80 nm。
- 光电器件构建：最终在纤维两端使用金属铟粒作为电极，制备了实验所需的光电器件。
形貌与结构表征
- 使用扫描电子显微镜（SEM）对TiO2NF和Se/TiO2NF的形貌进行成像；结果显示Se颗粒均匀分布在TiO2表面。
- 借助X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析对材料的晶体结构进行表征，进一步确认锐钛矿TiO2与三方晶系Se的成功复合。
性能测试
使用Keithley 4200半导体测试系统对制备器件的光电性能和响应速度进行分析，主要实验包括I-V曲线测量、光谱响应测试，以及控制变量条件下探测器的开关响应时间。
研究结果
形貌和结构表征
- SEM成像显示，TiO2NF具有表面平滑的纳米纤维结构，而Se/TiO2NF复合物的表面粗糙，显示Se均匀覆盖在纤维表面。
- XRD和拉曼光谱结果均证实，TiO2NF为锐钛矿相，Se为三方晶系。复合材料同时具有两种组分特征峰，表明异质结制备成功。
光谱响应结果
制备的Se/TiO2NF异质结在300~700 nm光谱范围内均表现出良好响应，突出表现如下：
- 在无偏压条件下，异质结在610 nm的光响应度达21 mA·W^-1，上升时间和下降时间分别为30 ms和47 ms。
- 相比之下，单一TiO2NF的光响应范围仅限于紫外光（小于380 nm），且上升时间和下降时间分别为45 s和70 s。
升降时间优化结果
- 与TiO2NF的缓慢响应不同，Se纳米颗粒的加入显著改善了器件的响应速度。原因在于Se/TiO2NF形成的II型能带排列和内建电场，有效抑制了光生电子-空穴复合，提高了响应效率。
工作机理分析
- 建立II型异质结的能带结构示意图说明：在光照条件下，光生载流子（电子和空穴）分别在异质结的导带和价带两端分离，形成稳定的电流输出。Se的引入不仅拓宽了光谱探测范围，还增强了器件的光电流强度，提高了探测器的整体性能。
研究结论
本研究采用静电纺丝技术制备了一维TiO2纳米纤维，通过化学气相沉积法构建Se/TiO2NF异质结光电探测器。该异质结器件具备以下特点： - 在300~700 nm范围内表现出宽光谱响应，尤其在610 nm时响应性能最佳。 - 在无偏压条件下实现自驱动光电探测功能；光响应速度比单一TiO2材料显著提升。 - 科学意义：为实现高性能宽光谱光电探测器提供了新思路。 - 应用意义：制备成本低，工艺简单，易于推广到下一代集成光电芯片和微型化光电系统。
研究亮点
- 成功利用静电纺丝法制备定向排列的TiO2纳米纤维，并在此基础上设计出高度集成的复合材料异质结。
- 在不改变TiO2禁带宽度的情况下，通过构建异质结拓宽了光谱响应范围，弥补了传统TiO2探测器的缺陷。
- 实现了通过内建电场促进电子-空穴分离，从而提高光响应度、扩展探测器使用范围的全新策略。
意义与展望
本文为开发高性能、多功能以及低成本的光电探测器提供了创新性研究路径。未来工作可以集中于优化Se颗粒尺寸和分布量，以进一步提升器件性能。此外，借助其他宽光谱材料（如黑磷或二维材料）与TiO2复合，可能在更广光谱范围内实现具有更高灵敏度和稳定性的光电探测器应用，推动科学研究及工业探测技术升级。