WO₂I₂/聚邻氨基苯硫酚多孔球形纳米复合材料的制备及其在光探测器中的应用

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WO₂I₂/聚邻氨基苯硫酚多孔球形纳米复合材料的制备及其在光电探测器中的应用

背景介绍

近年来，光电探测器因其在照明、航天技术等领域的广泛应用而备受关注。然而，传统金属氧化物基光电探测器常面临灵敏度低、光谱响应范围有限等问题。例如，ZnO/Cu₂O 和 Se/TiO₂ 等材料的研究表明，其光响应主要集中在紫外光区域，且光响应度（R）通常低于 0.001 mA/W。此外，聚合物材料如 P3HT 和 PBbTPD:tri-PC61BM 尽管具有良好的导电性和低成本优势，但其光响应度仍较低（约 0.01 mA/W）。因此，开发一种兼具高灵敏度、宽光谱响应和低成本特性的新型光电探测器材料成为研究热点。

在此背景下，Fatemah H. Alkallas 等人提出了一种基于 WO₂I₂/聚邻氨基苯硫酚（WO₂I₂/PoATP）多孔球形纳米复合材料的光电探测器。该研究旨在通过结合无机材料（WO₂I₂）与有机聚合物（PoATP）的优势，解决现有光电探测器在灵敏度、光谱响应范围和成本上的不足。此外，作者还希望通过优化材料结构设计，进一步提升其光电性能。

论文来源

这篇论文由 Fatemah H. Alkallas、Amira Ben Gouider Trabelsi、Tahani A. Alrebdi 和 Mohamed Rabia 共同撰写，其中第一作者和通讯作者分别来自沙特阿拉伯公主努拉·宾特·阿卜杜勒拉赫曼大学物理系和埃及贝尼苏韦夫大学化学系。论文于 2024 年 12 月 13 日被接受，并发表在《Optical and Quantum Electronics》期刊上，文章编号为 57:150。

研究流程与实验方法

实验材料与合成方法

本研究采用的原材料包括邻氨基苯硫酚（99.9%）、钨酸钠（Na₂WO₄，99.8%）、乙酸（CH₃COOH，99.9%）、碘（I₂，99.9%）和碘化钾（KI，99.8%）。WO₂I₂/PoATP 多孔球形纳米复合薄膜的制备分为两步：首先，将邻氨基苯硫酚溶解于乙酸中，并加入碘溶液进行氧化反应，生成 I-PoATP；随后，将 I-PoATP 与 Na₂WO₄ 反应，通过双置换机制形成 WO₂I₂/PoATP 纳米复合薄膜。最终薄膜沉积在玻璃基底上，用于后续表征和测试。

表征与测试方法

材料表征

  1. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：分析了 WO₂I₂/PoATP 纳米复合材料的化学组成及官能团变化。
  2. X射线衍射（XRD）：确定了材料的晶体结构及晶粒尺寸。
  3. X射线光电子能谱（XPS）：研究了材料的元素组成及氧化态。
  4. 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）：观察了材料的形貌特征及孔隙分布。

光电性能测试

光电性能测试使用 CHI608E 电化学工作站进行。样品两侧涂覆银浆后连接至工作站，并在 -2 至 2 V 的电压范围内进行线性扫描伏安法测试。光源为真空金属卤化物灯，提供全光谱白光照射。通过测量暗电流密度（Jo）和光电流密度（Jph），计算光响应度（R）和探测率（D）。

数据分析算法

光响应度（R）和探测率（D）的计算公式如下： - ( R = \frac{J_{ph} - J_d}{P} ) - ( D = \frac{R \sqrt{A}}{2eJ_o} )

其中，( J_{ph} ) 和 ( J_o ) 分别为光照和暗条件下的电流密度，( P ) 为光强度，( A ) 为器件面积，( e ) 为电子电荷。

主要结果与讨论

化学与结构特性

FTIR 分析显示，WO₂I₂/PoATP 纳米复合材料的吸收峰相较于纯 PoATP 发生了红移，表明无机 WO₂I₂ 与有机 PoATP 之间存在强相互作用。XRD 测试揭示了 WO₂I₂ 的十个特征衍射峰，晶粒尺寸为 121 nm。XPS 数据进一步确认了 W 和 I 的存在及其氧化态。

形貌与光学特性

SEM 和 TEM 图像显示，WO₂I₂/PoATP 纳米复合材料呈多孔球形结构，孔径约为 5 nm。光学测试表明，该材料具有宽光谱吸收能力（延伸至近红外区域），且带隙仅为 2.0 eV。这些特性使其能够高效捕获和利用光子。

光电性能

在白光照射下，WO₂I₂/PoATP 纳米复合薄膜的光电流密度为 0.32 mA/cm²（( J_{ph} = 0.8 \, \text{mA/cm}^2 )，( J_o = 0.48 \, \text{mA/cm}^2 )）。随着波长从 540 nm 减小到 340 nm，光响应度（R）从 7.2 mA/W 提升至 8.0 mA/W，探测率（D）从 ( 0.164 \times 10^{10} \, \text{Jones} ) 提升至 ( 0.181 \times 10^{10} \, \text{Jones} )。即使在 730 nm 波长下，R 和 D 仍分别保持在 6.4 mA/W 和 ( 0.145 \times 10^{10} \, \text{Jones} )。

稳定性与可重复性

多次重复测试表明，该器件的光电流密度具有极高的稳定性，标准偏差极小。此外，器件对光信号的响应时间约为 1 秒，衰减时间为 3.5 秒，表现出优异的动态性能。

结论与意义

科学价值

本研究成功制备了一种新型 WO₂I₂/PoATP 多孔球形纳米复合材料，并验证了其作为高效光电探测器的潜力。该材料不仅具有宽光谱吸收能力和低带隙，还表现出优异的光响应度和探测率。

应用价值

由于其高灵敏度、宽光谱响应、低成本和易于大规模生产的特性，该材料在工业应用中具有广阔前景，特别是在紫外、可见光和红外光探测领域。

研究亮点

  1. 材料创新：首次将 WO₂I₂ 与 PoATP 结合，实现了无机-有机复合材料的协同效应。
  2. 性能突破：光响应度和探测率显著优于现有材料，解决了传统光电探测器的局限性。
  3. 工艺简便：制备方法简单、成本低廉，适合工业化生产。

总结

这项研究不仅为光电探测器领域提供了新的材料选择，还展示了无机-有机复合材料在光电器件中的巨大潜力。未来，该材料有望在环境监测、通信技术和能源转换等领域发挥重要作用。