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用于近红外光电探测器的对齐SNS纳米线阵列的生长

期刊:j. semicond.DOI:10.1088/1674-4926/41/4/042602

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研究团队及发表信息
本研究由Guozhen Shen、Haoran Chen和Zheng Lou共同完成,三位作者分别来自中国科学院半导体研究所超晶格与微结构国家重点实验室和中国科学院大学材料科学与光电技术中心。研究成果发表于《Journal of semiconductors》2020年第41卷第4期,文章标题为《Growth of aligned SNS nanowire arrays for near infrared photodetectors》,DOI编号为10.10881674-4926/41/4/042602。

学术背景与研究目标
研究聚焦于近红外(Near Infrared, NIR)光电探测器领域。正交晶系硫化锡(SnS)作为各向异性层状IV-VI族半导体,具有1.3 eV的直接带隙和高于10⁴ cm⁻¹的吸收系数,是理想的NIR探测材料。然而,传统SnS薄膜或纳米颗粒因电荷载流子限制和表面积不足,性能受限。为此,研究团队提出通过化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)制备一维(1D)SnS纳米线(nanowire, NW)阵列,以提升光捕获能力和载流子传输效率。研究目标包括:
1. 开发高对齐SnS纳米线阵列的可控生长方法;
2. 验证单根SnS纳米线的NIR响应特性;
3. 构建阵列结构探测器并评估其性能提升效果。

研究流程与方法
1. 纳米线阵列生长
- 材料制备:以高纯SnS粉末(99.5%)为原料,置于石英管炉中心,硅衬底镀10 nm金膜作为催化剂,置于下游1–2 cm处。
- 生长条件:氩气环境下升温至750°C,保温30分钟,自然冷却后获得黑色SnS纳米线阵列。
- 表征技术:采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)分析形貌、结构和晶体取向。结果显示纳米线直径100–300 nm,沿[111]方向单晶生长,HRTEM确认(101)、(110)、(111)晶面间距分别为0.29 nm、0.41 nm和0.28 nm。

  1. 单纳米线器件制备与测试

    • 器件制作:纳米线分散于异丙醇(IPA)后滴涂至SiO₂/Si衬底,光刻工艺制备电极(100 nm Au)。
    • 光电测试:使用Keysight B1500A半导体分析系统,在不同波长NIR激光(808–1450 nm)照射下测量电流-电压(I-V)特性。单纳米线器件在1064 nm光照下响应度(Responsivity)达267.9 A/W,外量子效率(EQE)为3.12×10⁴%,响应时间0.22秒,衰减时间1.42秒。
  2. 阵列器件构建与性能优化

    • 结构设计:在SnS纳米线阵列上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),覆盖银纳米线(Ag NWs)作为电极。
    • 性能对比:阵列器件的光电流较单纳米线提升5倍,光开关比(I
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