一种基于硫化镉纳米线阵列/MXene纳米片异质结的光电探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于硫化镉纳米线阵列/MXene纳米片异质结的光电探测器，是以镉片为基底，在镉片上生长CdS纳米线阵列作为电子传输层，在CdS纳米线阵列上设置MXene纳米片作为光吸收体。本发明专利技术的光电探测器具有制作简便、响应度高、探测率高、外量子效率高等优点。外量子效率高等优点。外量子效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于硫化镉纳米线阵列/MXene纳米片异质结的光电探测器


[0001]本专利技术属于光电子材料和器件领域，具体涉及一种基于硫化镉纳米线阵列/MXene纳米片异质结的光电探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]光电探测器是采用光电元件作为检测元件的传感器，其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的光信号的变化转换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，这使其在光通信、生物传感和环境监测等诸多方面都有着重要的应用。自石墨烯材料出现后，二维(2D)材料获得了研究人员的广泛关注。2D材料由于具有良好的电子和光学特性，在光电器件中颇受重用。目前，传统的光电探测器存在许多缺点，不能得到广泛应用，因此基于2D材料的光电探测器应运而生。在2D材料家族中，有一组新的典型材料受到了科学家们的极大关注，它们是过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，称为MXene。MXene材料的典型通式是：M
n+1
X
n
或M
n+1
X
n
T
z
(n＝1、2或3)，其中：M代表过渡金属元素，如Sc、Ti、Ta、Hf、Zr、V、Nb、Cr和Mo等；X代表C或N；T
z
代表活性官能团，如氟离子、氧离子或羟基离子，这些官能团连接在MXene表面。许多含有官能团的MXene表现出半导体性质。此外，MXene的电导率和载流子迁移率也很高，而电导率在很大程度上取决于材料的制备方法和分层方法，并表现出高度的各向异性。MXene通常由MAX相蚀刻Al原子层得到，具有许多优异的性能，如良好的导电性和亲水性、较大的比表面积、良好的稳定性以及优良的电子和光学性能等，这使得MXene有应用于储能、热电、电池、超级电容器、传感器、催化剂、场效应晶体管和光电探测器等器件中的潜力。
[0003]高性能的光电探测器在光通信、生物传感和环境监测等领域都有重要的应用价值。目前，二维材料MXene在光电探测器中的应用并不多。因此，对MXene的研究是值得期待的。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种基于硫化镉纳米线阵列/MXene纳米片异质结的光电探测器，旨在获得响应度高、探测率高和外量子效率高的光电探测器。
[0005]为实现目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于硫化镉纳米线阵列/MXene纳米片异质结的光电探测器，其特点在于：所述光电探测器是以镉片为基底，在镉片上生长CdS纳米线阵列作为电子传输层，在所述CdS纳米线阵列上设置MXene纳米片作为光吸收体。
[0007]本专利技术所述光电探测器的制备方法为：首先，采用水热法在镉片上生长CdS纳米线阵列；然后，通过对MAX相材料进行刻蚀制备MXene纳米片，再将MXene纳米片水溶液旋涂在CdS纳米线阵列上并退火；最后，去除部分区域的CdS纳米线阵列和MXene纳米片，露出该区域的镉片，再在MXene纳米片和裸露镉片上方蒸镀电极分别作为上下电极，即获得光电探测
器。具体包括如下步骤：
[0008]步骤1、制备CdS纳米线阵列
[0009]在乙二胺中加入硫代氨基脲粉末并充分搅拌，然后转移到放有隔片的反应釜中，在195
‑
225℃的烘箱中加热反应9
‑
12小时；反应结束后，取出隔片并清洗、干燥、退火，即在镉片上获得CdS纳米线阵列；
[0010]步骤2、制备MXene纳米片
[0011]将LiF粉末加入到稀盐酸溶液中并充分搅拌，然后在持续搅拌下分批加入MAX粉末，再在30
‑
40℃的恒温水浴锅中充分搅拌20
‑
25小时；所得沉淀用去离子水离心洗涤至pH为6，然后将沉淀分散到去离子水中，机械剥离50
‑
70分钟；最后将溶液离心并取上清液，即得MXene纳米片的水溶液；
[0012]步骤3、制备光电探测器
[0013]在氩气手套箱中将MXene纳米片水溶液旋涂在CdS纳米线阵列层上，然后干燥、退火；再去除部分区域的CdS纳米线阵列和MXene纳米片，露出该区域的镉片，将样品转移至高真空蒸发镀膜机中，在MXene纳米片和裸露镉片上方蒸镀电极分别作为上下电极，即获得光电探测器。
[0014]优选的，步骤1中，乙二胺与硫代氨基脲的用量比为30
‑
40mL：0.2
‑
0.5mol。
[0015]优选的，步骤1中，退火是采用管式炉在260
‑
290℃退火1
‑
2h。
[0016]优选的，步骤2中，MAX粉末的总量与LiF粉末的质量相等。
[0017]优选的，步骤3中，退火是将隔片放置在手套箱里的热台上，氮气气氛下80
‑
90℃退火1
‑
1.5h。
[0018]本专利技术的有益效果体现在：
[0019]本专利技术提供了一种基于硫化镉纳米线阵列//MXene纳米片异质结的光电探测器及其制备方法，采用对MAX相的Al原子层进行刻蚀的方法成功制备了MXene纳米片，然后与CdS纳米线阵列形成异质结构，这种结构可以促进光生载流子中的电子和空穴有效分开，减小它们的复合速率，从而提高了光电探测器的性能。该光电探测器在波长为530nm的光照下具有最大的光电流和最佳的光响应，光电流为0.12mA、暗电流为0.03mA，响应度为503.3A/W，探测率为3.23
×
10
14
Jones，外量子效率EQE为2.36
×
105％，上升时间为49.73ms、下降时间为19.84ms。这种高响应度的高性能的光电探测器归因于具有饱和光吸收和高导电性等特性的MXene纳米片，也归因于具有优异的纵横比以及单向高效的电子提取和传输特性的CdS纳米线阵列。
附图说明
[0020]图1为本专利技术基于硫化镉纳米线阵列/MXene纳米片异质结的光电探测器的结构示意图。
[0021]图2为本专利技术实施例1所制备的CdS纳米线阵列/MXene纳米片异质结中，MXene与MAX原料的X
‑
射线衍射图谱对比图。
[0022]图3为本专利技术实施例1所制备的CdS纳米线阵列/MXene纳米片异质结的高分辨率扫描电子显微镜图(图中右上方的插图为不同放大倍数)。
[0023]图4为本专利技术实施例1所制备的CdS纳米线阵列/MXene纳米片异质结的超快时间分
辨荧光光谱图。
[0024]图5为本专利技术实施例1所制备的光电探测器在黑暗条件下和在光功率为15.6mW/cm2的300nm、405nm、530nm、625nm的不同波段的LED光照射下的伏安特性曲线，插图为该光电探测器在黑暗条件下测得的伏安特性曲线。
[0025]图6为本专利技术实施例1所制备的光电探测器在黑暗条件下和在光功率为15.6mW/cm2的300nm、405nm、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硫化镉纳米线阵列/MXene纳米片异质结的光电探测器，其特征在于：所述光电探测器是以镉片为基底，在镉片上生长CdS纳米线阵列作为电子传输层，在所述CdS纳米线阵列上设置MXene纳米片作为光吸收体。2.一种权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：首先，采用水热法在镉片上生长CdS纳米线阵列；然后，通过对MAX相材料进行刻蚀制备MXene纳米片，再将MXene纳米片水溶液旋涂在CdS纳米线阵列上并退火；最后，去除部分区域的CdS纳米线阵列和MXene纳米片，露出该区域的镉片，再在MXene纳米片和裸露镉片上方蒸镀电极分别作为上下电极，即获得光电探测器。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、制备CdS纳米线阵列在乙二胺中加入硫代氨基脲粉末并充分搅拌，然后转移到放有隔片的反应釜中，在195
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225℃的烘箱中加热反应9
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12小时；反应结束后，取出隔片并清洗、干燥、退火，即在镉片上获得CdS纳米线阵列；步骤2、制备MXene纳米片将LiF粉末加入到稀盐酸溶液中并充分搅拌，然后在持续搅拌下分批加入MAX粉末，再在30
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40℃的恒温水浴锅中充分搅拌20
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【专利技术属性】
技术研发人员：李国华，陶金龙，侯蕊，黄辉，夏超，李晨曦，周祥，黄志祥，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：