超快响应锡酸锌紫外探测器的背后——激光烧蚀与水热间的绝妙“邂逅”

“我是天空里的一片云,偶尔投影在你的波心”现代诗人徐志摩的这首《偶然》,将一些事物漫不经心的“邂逅”定格成了一道曼妙的风景。无独有偶,在我们研究下一代紫外光探测器的核心基础材料时,发现当液相激光烧蚀高纯金属靶材并与水热“邂逅”后,一场漫不经心的偶然结合,让我们得到了具有超高结晶度与低缺陷密度的锡酸锌纳米晶,并具有超快紫外光响应特性。

当前,探测器在各个领域已如影随形。尤其在紫外光电探测器(UV PD),它一直是导弹预警与跟踪、导弹制导、紫外通信、环境监测、火灾探测等军民两用领域的关键技术。然而,宽禁带二元(如ZnO、SnO2等)和多元金属氧化物,尤其是以氧化锌为基础的宽禁带金属氧化物(Zn-Sn-O、Zn-Ge-O、Zn-Ga-O体系)虽有望成为下一代紫外探测器的核心材料,但由于其薄膜紫外探测器材料内部缺陷和薄膜不连续严重阻碍载流子输运,导致响应速度缓慢;与此同时,在一维单根紫外探测器件的应用受限于纳安量级的光电流;掺杂与复合提供的额外载流子通道虽可提高器件的响应速度,但却不可避免地大幅度提升暗电流,这使得高性能快速响应的紫外光探测器研究进展非常缓慢。

近日,南京理工大学新型显示材料与器件工信部重点实验室曾海波教授团队发展了一种采用液相激光烧蚀与水热相结合的方法,合成了具有超高结晶度与低缺陷密度的锡酸锌纳米晶,并以此构筑了基于锡酸锌纳米晶的超快响应紫外光探测器。利用聚焦激光束在溶液中轰击高纯金属锌靶和锡靶,使其表面粒子快速烧蚀、融化、解离,获得了高活性纳米胶体。并以此胶体为前驱体再进行水热反应,获得了高质量的锡酸锌纳米晶。在这一段漫不经心的“邂逅”中,完美生长的八面体结构锡酸锌纳米晶,形貌尺寸均一,直径控制在150nm,带隙3.9eV,无疑成了紫外光探测器领域中一道最绝妙“邂逅”的风景。

构筑的锡酸锌纳米晶组装膜光探测器具有超高的紫外光探测性能,响应度峰值在325nm,位于紫外UV-A波段,开关比大于103,开关响应时间分别为0.2ms和0.43ms。这项工作提供了一种新颖可靠获得高性能紫外光探测器的方法,相比于现有二元和多元金属氧化物紫外光探测器,响应时间缩短了十倍以上。相关论文发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201800085)上。

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