【儀表網 儀表研發】近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員費廣濤課題組在納米材料光電探測研究方面取得系列進展。
V2O5納米線有序陣列的SEM圖像
相關研究工作分別發表在Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18(48): 32691-32696、J. Mater. Chem. C, 2017, 5(6): 1471-1478、Appl. Surf. Sci., 2017, 407: 7-11和J. Mater. Sci., (DOI: 10.1007/s10853-017-0959-z)上，部分工作已申請中國發明。
光電探測在醫療診斷、生化分析、環境保護等領域有著重要作用，具有非常廣泛的應用前景。提高探測器的響應度、信噪比、響應速度以及可實用化是研究人員一直努力追求的目標。課題組研究人員圍繞這一目標開展了系列工作，在用于光電探測的納米材料的制備及性能優化方面，取得了新進展：分別制備了釩氧化物納米線有序陣列、二氧化釩/碳納米管復合薄膜、碲(Te)納米線有序陣列以及碲化鉛(PbTe)網格結構納米線等，并在上述材料基礎上構筑了原型探測器。相關研究表明，結晶完好的納米線能夠有效降低電子輸運中的界面和缺陷等因素影響，使電子傳輸通道更為順暢，基于順排納米線和網格結構納米線制備的光電探測器性能明顯提高。
成功制備大尺寸高度有序的氧化釩納米線陣列
目前納米材料光電特性的研究大部分集中在單根納米線方面，他人的研究表明，單根納米線的光電特性要好于常規市售的光電探測器。然而，由于單根納米線的有效光照面積很小，導致所產生的光電流很小，需要非常精密的儀器來測量。如果將單根納米絲排列起來，形成有序陣列，這樣既可以發揮納米材料光電特性好的優點，又能夠大限度地增加有效光照面積。基于此，課題組付文標等采用水熱法制備了結晶度高、缺陷少的氧化釩納米線，并將其順排起來，成功地制備了大尺寸高度有序的氧化釩納米線陣列，陣列尺寸可以達到平方毫米量級。所制備的V2O5光電探測器原型器件在入射波長為450nm下，表現出高的探測性能，器件響應度為160.3 mA/W，探測率為6.5×108Jones，響應時間為17~12 ms(J. Mater. Chem. C, 2017, 5(6): 1471-1478)。這項工作對推進陣列結構制備和在光電子器件等領域的應用都具有重要意義。
光電探測在醫療診斷、生化分析、環境保護等領域有著重要作用，具有非常廣泛的應用前景。提高探測器的響應度、信噪比、響應速度以及可實用化是研究人員一直努力追求的目標。課題組研究人員圍繞這一目標開展了系列工作，在用于光電探測的納米材料的制備及性能優化方面，取得了新進展：分別制備了釩氧化物納米線有序陣列、二氧化釩/碳納米管復合薄膜、碲(Te)納米線有序陣列以及碲化鉛(PbTe)網格結構納米線等，并在上述材料基礎上構筑了原型探測器。相關研究表明，結晶完好的納米線能夠有效降低電子輸運中的界面和缺陷等因素影響，使電子傳輸通道更為順暢，基于順排納米線和網格結構納米線制備的光電探測器性能明顯提高。
成功制備大尺寸高度有序的氧化釩納米線陣列
目前納米材料光電特性的研究大部分集中在單根納米線方面，他人的研究表明，單根納米線的光電特性要好于常規市售的光電探測器。然而，由于單根納米線的有效光照面積很小，導致所產生的光電流很小，需要非常精密的儀器來測量。如果將單根納米絲排列起來，形成有序陣列，這樣既可以發揮納米材料光電特性好的優點，又能夠大限度地增加有效光照面積。基于此，課題組付文標等采用水熱法制備了結晶度高、缺陷少的氧化釩納米線，并將其順排起來，成功地制備了大尺寸高度有序的氧化釩納米線陣列，陣列尺寸可以達到平方毫米量級。所制備的V2O5光電探測器原型器件在入射波長為450nm下，表現出高的探測性能，器件響應度為160.3 mA/W，探測率為6.5×108Jones，響應時間為17~12 ms(J. Mater. Chem. C, 2017, 5(6): 1471-1478)。這項工作對推進陣列結構制備和在光電子器件等領域的應用都具有重要意義。
V2O納米線陣列光電探測器性能
制備的二氧化釩/碳納米管復合薄膜，具有較強紅外光電響應
熱紅外探測器是利用紅外輻射的熱效應引起探測器的溫度變化而實現探測的，相對于光子型紅外探測器來說，熱紅外探測器的優勢是其與入射光波長無關，可以工作在室溫，且成本低。VO2(M)具有較大的溫度電阻系數，碳納米管具有熱容小、導熱快的特點。將VO2(M)與碳納米管復合起來，形成雙層復合薄膜，這樣就可以充分利用兩者的優勢，將碳納米管上吸收的熱迅速傳給VO2(M)，大限度地增大紅外光電特性。他們和清華大學納米科技研究中心教授姜開利課題組合作，制備了碳納米管與VO2雙層復合膜。這種VO2(M)/碳納米管雙層復合膜的紅外光電響應特性明顯高于單純的VO2薄膜(J. Mater. Sci., DOI: 10.1007/s10853-017-0959-z)。
VO2(M)/碳納米管復合薄膜制備及紅外探測曲線圖
碲納米線有序陣列紅外探測器研究取得進展
碲是一種窄帶隙半導體材料，室溫下帶隙約為0.35eV，具有優越的光電性能。相對于具有大量界面的納米晶薄膜來說，單晶納米線晶界少，對光生載流子的散射效應弱，因此表現出良好的光電特性，是目前研究的一大熱點。如前所述，將單根納米線順排組裝起來，形成有序陣列，將可以發揮納米材料光電特性好的優點，又能夠大限度增加有效光照面積。
仲斌年等制備了尺寸均一的碲納米線，并組裝成大面積有序排列的納米線陣列。基于這種大面積有序排布的碲納米線陣列的紅外光電探測器原型器件表現出好的紅外響應特性。與無序排布的碲納米線器件相比，它的響應率大幅度提高，響應時間縮短。這一工作揭示了有序陣列結構在光電探測方面的巨大優勢。該工作以背封面論文發表在Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18(48): 32691-32696上。
PCCP雜志第18卷第48期背封面
碲化鉛納米線紅外探測的性能研究取得進展
基于碲化鉛(PbTe)的紅外探測器具有可覆蓋中遠紅外波段、探測噪聲低、量子效率高、靈敏度高等優點，在紅外探測方面有著廣闊的應用前景。目前PbTe紅外探測器主要是以納米顆粒組成的薄膜形式存在，但是薄膜中納米顆粒之間的界面等會對電子輸運產生阻礙，導致探測器性能降低。MSM型光探測器是一種金屬-半導體-金屬式接觸的光伏探測器，可以看成是一對背靠背相連的肖特基勢壘二極管，這種結構探測器的暗電流通常很小。課題組宮欣欣等結合單晶納米線與MSM型結構的優點，構建了一種PbTe單晶納米線MSM結構的紅外探測器原型器件。研究表明，這種探測器原型器件具有好的循環穩定性，響應時間在毫秒量級，比顆粒組成的薄膜快很多(詳見Appl. Surf. Sci., 2017, 407: 7-11)。
PbTe納米線紅外探測器光電曲線及響應時間曲線
以上工作得到國家重大科學研究計劃課題和多項國家自然科學基金項目的資助。
（原標題：合肥研究院在光電探測研究方面取得系列進展）
