CN113406164A - 基于异质结的高效光电探测器及其异质结的制备方法 - Google Patents

基于异质结的高效光电探测器及其异质结的制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及基于异质结的高效光电探测器及其异质结的制备方法，具体而言，涉及光电探测器领域；光电探测器包括：电解质槽、参比电极、对电极和基于异质结的工作电极；由于本申请的光电探测器的异质结中的铋系列化合物薄膜上的二硫化锡结构垂直排列，则使得二硫化锡结构具有较大的比表面积，并且与铋系列化合物薄膜形成范德瓦尔斯异质结，进而使得在进行光电检测的时候，加快光生载流子的分离和传输，从而提高本申请的光电探测器的光电响应，并且从而使得本申请的光电探测器的检测准确率和灵敏度都得到较大的提高，进而使得本申请的光电探测器可以应用在需求高灵敏度和高准确率的应用环境中。

Description

基于异质结的高效光电探测器及其异质结的制备方法
技术领域
本申请涉及光电探测器领域，具体而言，涉及一种基于异质结的高效光电探测器及其异质结的制备方法。
背景技术
光电检测是将光信号转换成电信号的过程，其在诸如感测、通信和光谱的技术应用中起着至关重要的作用。现有技术中的过渡金属二硫化物具有较高的载流子迁移率、较强的光-物质相互作用和较大的比表面积，具有更快的电子-空穴对的分离和传输效率，适用于PEC型光电探测器。
但是，现有技术中的光电探测器由于结构或者材料的影响，使得现有技术中的光电探测器的光电性能较差，且光电响应较低，进而使得现有技术中的光电探测器准确率和灵敏度不足，难以应用在需求高灵敏度和高准确率的应用环境中。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于异质结的高效光电探测器及其异质结的制备方法，以解决现有技术中的光电探测器由于结构或者材料的影响，使得现有技术中的光电探测器的光电性能较差，且光电响应较低，进而使得现有技术中的光电探测器准确率和灵敏度不足，难以应用在需求高灵敏度和高准确率的应用环境中的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种基于异质结的高效光电探测器，光电探测器包括：电解质槽、参比电极、对电极和基于异质结的工作电极；电解质槽中设置有电解液，参比电极、工作电极和对电极依次设置在电解质槽表面，且参比电极、工作电极和对电极均延伸到电解液中，其中，工作电极包括：基底、铋系列化合物薄膜和二硫化锡结构；基底的一侧设置有铋系列化合物薄膜，铋系列化合物薄膜远离基底的一侧垂直排列有二硫化锡结构；工作电极深入电解液中的一端与电解质槽上的透光窗口相对。
可选地，该铋系列化合物薄膜的材料包括碲化铋和硒化铋中任意一种。
可选地，该基底的厚度为0.5mm-0.8mm，长度为85mm-120mm，宽度85mm-120mm。
可选地，该参比电极的材料为银-氯化银。
可选地，该对电极的材料为铂。
第二方面，本申请提供一种基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法，方法包括：
在石英管内部的设置铋系列化合物和基底；
将石英管内铋系列化合物对应的区域加热到预设第一温度，并使用氩气从铋系列化合物方向吹向基底位置，在基底上沉积得到铋系列化合物薄膜；
将SnCl4·5H2O和硫粉依次设置在石英管内部的基底的一侧；
将石英管加热到预设第二温度，使用氩气从硫粉方向向铋系列化合物基底方向通气，使得基底上的铋系列化合物薄膜表面沉积形成二硫化锡结构。
可选地，该在石英管内部的设置铋系列化合物和基底的步骤之后还包括：
使用真空泵将石英管内的压强抽至100Pa以下；
使用氩气从铋系列化合物方向吹向基底位置吹5分钟。
可选地，该将SnCl4·5H2O和硫粉依次设置在石英管内部的基底的一侧的步骤之后还包括：
使用真空泵将石英管内的压强抽至100Pa以下；
使用氩气从硫粉方向向铋系列化合物基底方向通气5分钟。
可选地，该预设第一温度450℃～550℃，预设第二温度为200℃～450℃。
本发明的有益效果是：
本申请提供的基于异质结的高效光电探测器，光电探测器包括：电解质槽、参比电极、对电极和基于异质结的工作电极；电解质槽中设置有电解液，参比电极、工作电极和对电极依次设置在电解质槽表面，且参比电极、工作电极和对电极均延伸到电解液中，其中，工作电极包括：基底、铋系列化合物薄膜和二硫化锡结构；基底的一侧设置有铋系列化合物薄膜，铋系列化合物薄膜远离基底的一侧垂直排列有二硫化锡结构；工作电极深入电解液中的一端与电解质槽上的透光窗口相对；由于本申请的光电探测器的异质结中的铋系列化合物薄膜上的二硫化锡结构垂直排列，则使得二硫化锡结构具有较大的比表面积，并且与铋系列化合物薄膜形成范德瓦尔斯异质结，进而使得在检测光信号的时候，加快光生载流子的分离和传输，从而提高本申请的光电探测器的光电响应，并且从而使得本申请的光电探测器的检测准确率和灵敏度都得到较大的提高，进而使得本申请的光电探测器可以应用在需求高灵敏度和高准确率的应用环境中。
本申请提供的基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法，方法包括：在石英管内部的设置铋系列化合物和基底；将石英管内铋系列化合物对应的区域加热到预设第一温度，并使用氩气从铋系列化合物方向吹向基底位置，在基底上沉积得到铋系列化合物薄膜；将SnCl4·5H2O和硫粉依次设置在石英管内部的基底的一侧；将石英管加热到预设第二温度，使用氩气从硫粉方向向铋系列化合物基底方向通气，使得基底上的铋系列化合物薄膜表面沉积形成二硫化锡结构，即本申请使用上述简单的步骤制备得到的光电探测器的异质结，由于本申请的光电探测器的异质结中的铋系列化合物薄膜上的二硫化锡结构垂直设置，则使得二硫化锡结构具有较大的比表面积，并且与铋系列化合物薄膜形成范德瓦尔斯异质结，进而使得在检测光信号的时候，加快光生载流子的分离和传输，从而提高本申请的光电探测器的光电响应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种基于异质结的高效光电探测器的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种基于异质结的高效光电探测器的异质结的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的一种基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法的流程示意图；
图4为本发明一实施例提供的另一种基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法的流程示意图；
图5为本发明一实施例提供的另一种基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法的流程示意图；
图6为Bi2Te3、SnS2及SnS2/Bi2Te3异质结的拉曼光谱；
图7为Bi2Se3、SnS2及SnS2/Bi2Se3异质结的拉曼光谱图；
图8是本发明制得的基于SnS2/Bi2X3异质结的PEC型光电探测器在-0.1V偏压下的随着光照亮/暗变化的光电流密度曲线；
图9是本发明制得的基于SnS2/Bi2X3异质结的PEC型光电探测器在-0.1V偏压下光响应度的柱状图；
图10是本发明制得的基于SnS2/Bi2X3异质结的PEC型光电探测器在0V偏压下的随着光照亮/暗变化的光电流密度曲线；
图11是本发明制得的基于SnS2/Bi2X3异质结的PEC型光电探测器在不同波长(420nm，450nm，475nm，500nm，550nm，600nm和650nm)光照下的光电流密度图；
图12为本发明一实施例提供的一种基于异质结的高效光电探测器的SnS2/Bi2Se3和SnS2/Bi2Te3异质结在不同波长下的光电流密度和光响应率图。
图标：10-电解质槽；20-参比电极；30-工作电极；31-基底；32-铋系列化合物薄膜；33-二硫化锡结构；40-对电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。
图1为本发明一实施例提供的一种基于异质结的高效光电探测器的结构示意图；图2为本发明一实施例提供的一种基于异质结的高效光电探测器的异质结的结构示意图；如图1和图2所示，本申请提供一种基于异质结的高效光电探测器，光电探测器包括：电解质槽10、参比电极20、对电极40和基于异质结的工作电极30；电解质槽10中设置有电解液，参比电极20、工作电极30和对电极40依次设置在电解质槽10表面，且参比电极20、工作电极30和对电极40均延伸到电解液中，其中，工作电极30包括：基底31、铋系列化合物薄膜32和二硫化锡结构33；基底31的一侧设置有铋系列化合物薄膜32，铋系列化合物薄膜32远离基底31的一侧垂直排列有二硫化锡结构33；工作电极30深入电解液中的一端与电解质槽10上的透光窗口相对。
该电解质槽10中设置电解液，该电解液的种类和具体的量根据实际需要而定，在此不做具体限定，在实际应用中，该电解槽上设置有三个电极，三个电极分别为参比电极20、工作电极30和对电极40，该参比电极20、工作电极30和对电极40的材质和尺寸根据实际需要而定，在此不做具体限定，该参比电极20、工作电极30和对电极40均与外界电连接，在实际应用中，该基底31为导电基底31，该基底31可选用掺铟的氧化锡透明导电ITO基底31或者掺氟的氧化锡透明导电FTO基底31，该参比电极20、工作电极30和对电极40的一端与外界电连接，另一端均浸入该电解液中，该工作电极30深入该电解液中的一端设置有异质结，该异质结包括基底31、铋系列化合物薄膜32和二硫化锡结构33三部分结构，其中，该基底31用于承接该铋系列化合物薄膜32和二硫化锡结构33，该基底31上设置有该铋系列化合物薄膜32，该铋系列化合物薄膜32的表面设置有该二硫化锡结构33，且二硫化锡结构33与铋系列化合物薄膜32垂直设置，并且将该二硫化锡结构33与电解质槽10的对应位置为透光材质，也可以将该电解质槽10的外壳全部设置为透明材质，在此不做具体限定，将该二硫化锡结构33与电解质槽10的对应位置设置为透光材质，使得待测光通过该透光部分进入到该电解质槽10内部，作用在该异质结上，由于本申请的光电探测器的异质结中的铋系列化合物薄膜32上的二硫化锡结构33垂直设置，则使得二硫化锡结构33具有较大的比表面积，并且与铋系列化合物薄膜32形成范德瓦尔斯异质结，进而使得在检测光信号的时候，加快光生载流子的分离和传输，从而提高本申请的光电探测器的光电响应，并且从而使得本申请的光电探测器的检测准确率和灵敏度都得到较大的提高，进而使得本申请的光电探测器可以应用在需求高灵敏度和高准确率的应用环境中；在实际应用中，基底31的一侧设置的铋系列化合物薄膜32，是铋系列化合物薄膜32生长在该基底31的表面上。
可选地，该铋系列化合物薄膜32的材料包括碲化铋和硒化铋中任意一种。
该铋系列化合物薄膜32的材料可以为碲化铋，也可以为硒化铋，即该异质结的结构为该基底31上设置材料为碲化铋的铋系列化合物薄膜32，该材料为碲化铋的铋系列化合物薄膜32的表面垂直设置有二硫化锡结构33，或者该异质结的结构为该基底31上设置材料为硒化铋的铋系列化合物薄膜32，该材料为硒化铋的铋系列化合物薄膜32的表面垂直设置有二硫化锡结构33；在实际应用中，碲化铋和硒化铋材料均可以作为该异质结的铋系列化合物薄膜32的材料，使用碲化铋和硒化铋均可以使得二硫化锡结构33均匀的设置在该铋系列化合物薄膜32的表面；为了进一步说明碲化铋和硒化铋材料的特性和不同，现将硒化铋材料制成的异质结称为I型异质结，将碲化铋材料制成的异质结称为II型异质结，通过设计I型和II型异质结构来提升PEC型光电探测器的性能。使用实验数据具体说明；
可选地，该基底31的厚度为0.5mm-0.8mm，长度为85mm-120mm，宽度85mm-120mm。
该基底31的厚度可以为0.5mm，也可以为0.8mm，还可以为0.5mm-0.8mm之间任意尺寸，该基底31的长度可以为85mm，也可以为120mm，还可以为85mm-120mm之间任意尺寸；该基底31的厚度可以为85mm，也可以为120mm，还可以为85mm-120mm之间任意尺寸，该基底31的长度和宽度基本等于该基底31上设置的铋系列化合物薄膜32的长度和宽度。
可选地，该参比电极20的材料为银-氯化银。
该参比电极20的材料为银和氯化银的混合材料。
可选地，该对电极40的材料为铂。
本申请提供的基于异质结的高效光电探测器，光电探测器包括：电解质槽10、参比电极20、工作电极30、对电极40和异质结；电解质槽10中设置有电解液，参比电极20、工作电极30和对电极40依次设置在电解质槽10表面，且参比电极20、工作电极30和对电极40均延伸到电解液中，异质结设置在工作电极30深入电解液的一端，其中，异质结包括：基底31、铋系列化合物薄膜32和二硫化锡结构33；基底31的一侧设置有铋系列化合物薄膜32，铋系列化合物薄膜32远离基底31的一侧设置有二硫化锡结构33，且二硫化锡结构33垂直排列于铋系列化合物薄膜32上，二硫化锡结构33与电解质槽10的对应位置设置有透光窗口，该透光窗口一般为透光材质；由于本申请的光电探测器的异质结中的铋系列化合物薄膜32上的二硫化锡结构33垂直设置，则使得二硫化锡结构33具有较大的比表面积，并且与铋系列化合物薄膜32形成范德瓦尔斯异质结，进而使得在检测光信号的时候，加快光生载流子的分离和传输，从而提高本申请的光电探测器的光电响应，并且从而使得本申请的光电探测器的检测准确率和灵敏度都得到较大的提高，进而使得本申请的光电探测器可以应用在需求高灵敏度和高准确率的应用环境中。
图3为本发明一实施例提供的一种基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法的流程示意图；如图3所示，本申请提供一种基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法，方法包括：
S101、在石英管内部的设置铋系列化合物和基底。
在石英管内部分别设置铋系列化合物和基底，由于该石英管的两端一般均设置有开口，则该石英管内部设置铋系列化合物和基底的顺序，与位置根据实际需要而定，在此不做具体限定，在实际应用中，该铋系列化合物一般为粉末，且该铋系列化合物和基底之间设置有距离，该铋系列化合物和基底之间的设置距离一般设置为10cm左右，在此不做具体限定。
S102、将石英管内铋系列化合物对应的区域加热到预设第一温度，并使用氩气从铋系列化合物方向吹向基底位置，在基底上沉积得到铋系列化合物薄膜。
由于该石英管内设置有铋系列化合物和基底，则将该铋系列化合物设置的区域划分为上游温区，另外该基底所处的位置即设置为下游温区，将该石英管设置在加热装置上，使得该石英管将该上游温区加热到预设第一温度，由于该铋系列化合物在高温环境下会发生气化，本申请需要将该铋系列化合物进行气化，则该预设第一温度的大于该铋系列化合物的气化温度，使用氩气从该上游温区将该气化后的铋系列化合物吹到该下游温区的基底上，由于该下游温区的温度相比于上游温区的温度较低，则气化后的铋系列化合物遇到该基底，冷却在该基底表面，使得该基底表面均匀的覆盖设置有铋系列化合物薄膜，该铋系列化合物的量，根据实际需要而定，在实际应用中，该铋系列化合物的量能在冷却在该基底表面后能将该基底的表面进行覆盖即可。
S103、将SnCl4·5H2O和硫粉依次设置在石英管内部的基底的一侧。
将该SnCl4·5H2O和硫粉依次设置在石英管内部的基底的一侧，即该基底的一侧依次设置有SnCl4·5H2O和硫粉，在实际应用中，该基底、SnCl4·5H2O和硫粉之间均设置有一定的距离，该基底、SnCl4·5H2O和硫粉之间的距离根据实际需要而定，在此不做具体限定，且该SnCl4·5H2O和硫粉具体的量根据实际需要而定，在此不足具体限定。
S104、将石英管加热到预设第二温度，使用氩气从硫粉方向向铋系列化合物基底方向通气，使得基底上的铋系列化合物薄膜表面沉积形成二硫化锡结构。
将该石英管内部的SnCl4·5H2O和硫粉区域划分为上游温区，将该基底位置划分为下游温区，加热该石英管内部的上游温区，使得该SnCl4·5H2O和硫粉发生反应，生成二硫化锡，使用氩气将反应生成的二硫化锡吹向该基底方向，由于该基底处于下游温区位置，则该下游温区的温度低于该二硫化锡的温度，则生成的二硫化锡会凝结在该基底表面，形成了二硫化锡结构，且该二硫化锡结构垂直于该铋系列化合物薄膜，则该铋系列化合物薄膜和该二硫化锡结构之间形成了异质结。
图4为本发明一实施例提供的另一种基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法的流程示意图；如图4所示，可选地，该在石英管内部的设置铋系列化合物和基底的步骤之后还包括：
S201、使用真空泵将石英管内的压强抽至100Pa以下。
S202、使用氩气从铋系列化合物方向吹向基底位置吹5分钟。
为了清除该石英管内部的杂质空气，利用真空泵将石英管压强抽至100Pa以下，然后打开氩气气阀并使用氩气从铋系列化合物方向吹向基底位置通气5分钟，以排出装置内残余空气。
可选地，该使用氩气从铋系列化合物方向吹向基底位置吹5分钟步骤之后的后续反应还包括：持续在该石英管内部内部通入20～40sccm氩气，一直到反应结束。
可选地，使用氩气从铋系列化合物方向吹向基底位置吹5分钟之后，一般需要继续打开真空泵，将气体流速调至35sccm，进行连续吹氩气。
图5为本发明一实施例提供的另一种基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法的流程示意图；如图5所示，可选地，该将SnCl4·5H2O和硫粉依次设置在石英管内部的基底的一侧的步骤之后还包括：
S301、使用真空泵将石英管内的压强抽至100Pa以下。
S302、使用氩气从硫粉方向向铋系列化合物基底方向通气5分钟。
为了清除该石英管内部的杂质空气，利用真空泵将石英管压强抽至100Pa以下，然后打开氩气气阀并使用氩气从硫粉方向向铋系列化合物基底位置通气5分钟，以排出装置内残余空气。
可选地，使用氩气从铋系列化合物方向吹向基底位置吹5分钟之后，一般需要继续打开真空泵，将气体流速调至35sccm，进行连续吹氩气。
可选地，该预设第一温度450℃～550℃，预设第二温度为200℃～450℃。
本申请中的异质结可以在无外接电源偏压的条件下，当异质结作为工作电极浸入电解液中时，光照透过电解槽上的透明窗口照射到长有异质结的导电基底上。在加有-0.1V偏压条件下，在开光(亮环境)和闭关(暗环境)循环过程中，测量到光电流响应变化，图6为Bi2Te3、SnS2及SnS2/Bi2Te3异质结的拉曼光谱；如图6所示，Bi2Te3在100cm-1和138cm-1附近的特征峰分别对应于其Eg和A1g振动模态。SnS2/Bi2Te3异质结构在99cm-1、139cm-1和311cm-1处有三个特征峰，分别对应于Bi2Te3的Eg和A1g振动模式，SnS2的A1g振动模式。由此可以说明制得异质结为SnS2/Bi2Te3异质结(说明SnS2/Bi2Te3异质结的制备成功)；当有光照时，光电流密度明显大于没光照时的光电流密度；当没有外加偏压时，依然能检测到亮/暗循环下的光电流密度。说明在无外加偏压时，依然能进行光电探测，从而进一步说明在某些特定条件下(无外加电源)进行光电探测，所以其具有较好的环境适应性和灵活性。
图7为Bi2Se3、SnS2、SnS2/Bi2Se3异质结的拉曼光谱图；如图7所示，Bi2Se3在129cm-1和174cm-1附近的特征峰分别对应于其Eg和A1g振动模态。SnS2在313cm-1附近的特征峰对应于其A1g振动模式。可见，SnS2/Bi2Se3异质结构形成后存在三种振动模式，分别位于126cm-1、173cm-1和314cm-1，分别对应于Bi2Se3的Eg和A1g振动模式，SnS2的A1g振动模式，由此可以说明制得异质结为SnS2/Bi2Se3异质结(说明SnS2/Bi2Se3异质结的制备成功)。当有光照时，光电流密度明显大于没光照时的光电流密度；当没有外加偏压时，依然能检测到亮/暗循环下的光电流密度。说明在无外加偏压时，依然能进行光电探测，从而进一步说明在某些特定条件下(无外加电源)进行光电探测，所以其具有较好的环境适应性和灵活性。
本实施例的基于SnS2/Bi2X3异质结的高效PEC型光电探测器的性能特征：图8是本发明制得的基于SnS2/Bi2X3异质结的PEC型光电探测器在-0.1V偏压下的随着光照亮/暗变化的光电流密度曲线；如图8所示，图8中横坐标代表时间，纵轴代表光电流密度的大小。图为不同样品在持续的亮暗环境交替的条件下，光电流密度大小的变化。明显，光照(亮)环境下的光电流密度大于暗环境下的光电流密度。亮暗环境下，光电流密度的差值，则为瞬态光电流密度(Iph)。瞬态光电流密度(Iph)越大，说明光电探测性能越好，具体的，图8中显示了在-0.1V偏置电压下，亮暗环境交替，各持续时间为5s时测量的瞬态光电流密度(Iph)响应曲线。SnS2/Bi2Se3异质结测量的光电流密度最大，约为SnS2的21倍，Bi2Se3的14倍；SnS2/Bi2Te3异质结的光电流密度也比SnS2大约14倍，比Bi2Te3大约12倍；即根据实验数据得到，与纯SnS2、Bi2Se3、Bi2Te3相比，SnS2/Bi2X3异质结光电流密度和光响应提高了14～20倍。
图9是本发明制得的基于SnS2/Bi2X3异质结的PEC型光电探测器在-0.1V偏压下光响应度的柱状图；如图9所示，图9中横坐标无具体指代，纵轴代表光响应度(Rph)的大小；通过光电流密度计算得来的光响应度(Rph)的柱状图，可以看出SnS2/Bi2Se3异质结光响应最大，SnS2/Bi2Se3异质结和SnS2/Bi2Te3异质结相较于SnS2(硫化锡)、Bi2Se3(硒化铋)、Bi2Te3(碲化铋)而言，光响应均有较大的提升；在实际应用中，利用光电流密度(Iph)和光响应度(Rph)可定量评价其光探测性能，光响应度计算公式为：光电流密度Iph＝(Ilight-Idark)/S，Ilight指光照下的光电流大小，Idark指暗环境(无光照)下的光电流大小，S指异质结(工作电极)被光照射到的面积大小。光响应度Rph＝光电流密度(Iph)/入射光功率密度。
图10是本发明制得的基于SnS2/Bi2X3异质结的PEC型光电探测器在0V偏压下的随着光照亮/暗变化的光电流密度曲线，如图10所示，图10中横坐标代表时间，纵轴代表光电流密度的大小。图为两个异质结在0V偏压条件下，在持续的亮暗环境交替的条件下，光电流密度大小的变化。亮暗环境下，光电流密度的差值，则为瞬态光电流密度(Iph)。瞬态光电流密度(Iph)越大，说明光电探测性能越好；可以看出在无外加偏压的情况下，探测器仍具有光电响应。
图11是本发明制得的基于SnS2/Bi2X3异质结的PEC型光电探测器在不同波长(420nm，450nm，475nm，500nm，550nm，600nm和650nm)光照下的光电流密度图；如图11所示；图11中横坐标代表时间，纵轴代表光电流密度的大小，通过图10的光电流密度，可以计算得出SnS2/Bi2X3异质结的PEC型光电探测器在不同波长(420nm，450nm，475nm，500nm，550nm，600nm和650nm)光照下的光响应度。
图12为本发明一实施例提供的一种基于异质结的高效光电探测器的SnS2/Bi2Se3和SnS2/Bi2Te3异质结在不同波长下的光电流密度和光响应率图；如图12所示；图12中横坐标代表光照的波长，纵轴(左)代表瞬态光电流密度(Iph)，Iph越大，说明光电探测性能越好。纵坐标(右)代表光响应度(Rph)的大小，Rph越大，光电探测性能越好；通过图12可以看出探测器在475nm波长光照下，具有最大的光响应，可以与特定波长的光电探测；相比于II型异质结SnS2/Bi2Te3，I型异质结SnS2/Bi2Se3由于其与电解液界面传输阻力更低，从而表现出更快的电子-空穴对的传输效率，具有更高的光响应，即I型异质结SnS2/Bi2Se3的光电性能优于II型异质结SnS2/Bi2Te3的光电性能，是因为SnS2/Bi2Se3异质结与电解质界面上的电荷传输更有效；同时，基于SnS2/Bi2X3异质结构的PEC型光电探测器在不同波长光照下具有不同的响应，可以实现对特定波段光照的探测和区分。
可选地，由于该铋系列化合物薄膜的材料可以为碲化铋或硒化铋，若该铋系列化合物薄膜的材料为碲化铋，则本申请的制备异质结的流程具体包括：
步骤一：将石英管放置在炉体上，称取5mgBi2Te3粉末，将称取的Bi2Te3粉末置于石英管中下游温区中心处，然后将基底置于石英管下游距离Bi2Te3粉末8cm处；
步骤二：安装法兰密封上述中的石英管，利用真空泵将石英管压强抽至100Pa以下，然后打开氩气气阀并以流速200sccm持续通气5分钟，以排出装置内残余空气，然后将气体流速调至25sccm；
步骤三：将下游温区中心温度设置为20分钟升至500℃，到达温度后，维持4分钟；
步骤四：待步骤三中管式炉温度降至室温后取出Bi2Te3薄膜；
步骤五：将石英管放置在炉体上，将称取1gSnCl4·5H2O粉末和3g硫粉，将称取的SnCl4·5H2O粉末置于石英管下游温区中心处，并将称取的硫粉置于石英管中距离上游温区中心上游方向8cm处，最后将制得的Bi2Te3薄膜作为基底置于下游温区中心10cm处；
步骤六：安装法兰密封好步骤五中的石英管，利用真空泵将石英管压强抽至100Pa以下，然后打开氩气气阀并以流速200sccm持续通气5分钟，以排出装置内残余空气，然后将气体流速调至60sccm；
步骤七：将上游温区中心温度设置为300℃，升温时间为30分钟，下游温区中心设置为10分钟升至200℃，维持10分钟，然后温度10分钟升至450℃，到达温度后，维持15分钟；
步骤八：待步骤七中管式炉温度降至室温后取出SnS2/Bi2Te3范德瓦尔斯异质结。
或者若该铋系列化合物薄膜的材料为硒化铋，则本申请的制备异质结的流程具体包括：
步骤一：将石英管放置在炉体上，称取5mgBi2Se3粉末，将称取的Bi2Se3粉末置于石英管中下游温区中心处，然后将ITO基底置于石英管下游距离Bi2Se3粉末8cm处；
步骤二：安装法兰密封步骤一中的石英管，利用真空泵将石英管压强抽至100Pa以下，然后打开氩气气阀并持续通气5分钟，以排出装置内残余空气,然后将气体流速调至35sccm；
步骤三：将下游温区中心温度设置为20分钟升至500℃，到达温度后，维持4分钟；
步骤四：待步骤三中管式炉温度降至室温后取出Bi2Se3薄膜；
步骤五：将石英管放置在炉体上，将称取1gSnCl4·5H2O粉末和3g硫粉，将称取的SnCl4·5H2O粉末置于石英管下游温区中心处，并将称取的硫粉置于石英管中距离上游温区中心上游方向8cm处，最后将制得的Bi2Se3薄膜作为基底置于下游温区中心10cm处；
步骤六：安装法兰密封好步骤五中的石英管，利用真空泵将石英管压强抽至100Pa以下，然后打开氩气气阀并以流速200sccm持续通气5分钟，以排出装置内残余空气，然后将气体流速调至60sccm；
步骤七：将上游温区中心温度设置为300℃，升温时间为30分钟，下游温区中心设置为10分钟升至200℃，维持10分钟，然后温度10分钟升至450℃，到达温度后，维持15分钟；
步骤八：待步骤七中管式炉温度降至室温后取出SnS2/Bi2Se3范德瓦尔斯异质结。
本申请提供的基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法，方法包括：在石英管内部的设置铋系列化合物和基底；将石英管内铋系列化合物对应的区域加热到预设第一温度，并使用氩气从铋系列化合物方向吹向基底位置，在基底上沉积得到铋系列化合物薄膜；
将SnCl4·5H2O和硫粉依次设置在石英管内部的基底的一侧；
将石英管加热到预设第二温度，使用氩气从硫粉方向向铋系列化合物基底方向通气，使得基底上的铋系列化合物薄膜表面沉积形成二硫化锡结构，即本申请使用上述简单的步骤制备得到的光电探测器的异质结，由于本申请的光电探测器的异质结中的铋系列化合物薄膜上的二硫化锡结构垂直设置，则使得二硫化锡结构具有较大的比表面积，并且与铋系列化合物薄膜形成范德瓦尔斯异质结，进而使得在检测光信号的时候，加快光生载流子的分离和传输，从而提高本申请的光电探测器的光电响应。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于异质结的高效光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括：电解质槽、参比电极、对电极和基于异质结的工作电极；所述电解质槽中设置有电解液，所述参比电极、所述工作电极和对电极依次设置在所述电解质槽表面，且所述参比电极、所述工作电极和对电极均延伸到所述电解液中，其中，所述工作电极包括：基底、铋系列化合物薄膜和二硫化锡结构；所述基底的一侧设置有所述铋系列化合物薄膜，所述铋系列化合物薄膜远离所述基底的一侧垂直排列有所述二硫化锡结构；所述工作电极深入所述电解液中的一端与所述电解质槽上的透光窗口相对。
2.根据权利要求1所述的基于异质结的高效光电探测器，其特征在于，所述铋系列化合物薄膜的材料包括碲化铋和硒化铋中任意一种。
3.根据权利要求2所述的基于异质结的高效光电探测器，其特征在于，所述基底的厚度为0.5mm-0.8mm，长度为85mm-120mm，宽度85mm-120mm。
4.根据权利要求3所述的基于异质结的高效光电探测器，其特征在于，所述参比电极的材料为银-氯化银。
5.根据权利要求4所述的基于异质结的高效光电探测器，其特征在于，所述对电极的材料为铂。
6.一种基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在石英管内部的设置铋系列化合物和基底；
将所述石英管内所述铋系列化合物对应的区域加热到预设第一温度，并使用氩气从所述铋系列化合物方向吹向所述基底位置，在所述基底上沉积得到铋系列化合物薄膜；
将SnCl4·5H2O和硫粉依次设置在所述石英管内部的所述基底的一侧；
将所述石英管加热到预设第二温度，使用氩气从所述硫粉方向向所述铋系列化合物基底方向通气，使得所述基底上的所述铋系列化合物薄膜表面沉积形成二硫化锡结构。
7.根据权利要求6所述的基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法，其特征在于，所述在石英管内部的设置铋系列化合物和基底的步骤之后还包括：
使用真空泵将所述石英管内的压强抽至100Pa以下；
使用氩气从所述铋系列化合物方向吹向所述基底位置吹5分钟。
8.根据权利要求7所述的基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法，其特征在于，所述将SnCl4·5H2O和硫粉依次设置在所述石英管内部的所述基底的一侧的步骤之后还包括：
使用真空泵将所述石英管内的压强抽至100Pa以下；
使用氩气从所述硫粉方向向所述铋系列化合物基底方向通气5分钟。
9.根据权利要求8所述的基于异质结的高效光电探测器的异质结的制备方法，其特征在于，所述预设第一温度450℃～550℃，所述预设第二温度为200℃～450℃。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114235926A (zh) * 2021-12-23 2022-03-25 山东大学 光电化学生物传感平台及构建方法与其在piRNA检测中的应用
CN116121873A (zh) * 2023-02-09 2023-05-16 兰州城市学院 一种碲化锑-二硫化钨垂直异质结纳米材料及其制备方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103779102A (zh) * 2014-01-17 2014-05-07 许昌学院 低温原位构建BiOI/Bi2S3异质结薄膜及柔性光电化学太阳能电池器件
US20150211134A1 (en) * 2014-01-28 2015-07-30 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture Capillary photoelectrode structures for photoelectrochemical and photocatalytic cells
WO2017206137A1 (zh) * 2016-06-02 2017-12-07 深圳大学 一种异质结可饱和吸收镜及其制备方法、锁膜光纤激光器
CN107442139A (zh) * 2017-07-11 2017-12-08 河南师范大学 用于高效降解龙胆紫的片状Z型SnS2/Bi2MoO6异质结光催化材料的制备方法
CN107621567A (zh) * 2017-09-13 2018-01-23 吉林大学 一种半导体光电材料瞬态光电流测量系统及测量方法
CN108355678A (zh) * 2018-03-09 2018-08-03 南昌航空大学 一种硫化锡-钨酸铋复合微米花球及其制备方法和应用
CN110449167A (zh) * 2019-08-08 2019-11-15 南京理工大学 一种Bi2WO6与SnS2构建形成异质结构复合材料及其制备方法
CN110487864A (zh) * 2019-09-03 2019-11-22 中南大学 一种水体中氯离子浓度的光电化学检测方法
CN112538638A (zh) * 2020-11-19 2021-03-23 中国科学院海洋研究所 一种高效的Bi2MoO6包覆BiVO4异质结光电极体系的制备方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103779102A (zh) * 2014-01-17 2014-05-07 许昌学院 低温原位构建BiOI/Bi2S3异质结薄膜及柔性光电化学太阳能电池器件
US20150211134A1 (en) * 2014-01-28 2015-07-30 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture Capillary photoelectrode structures for photoelectrochemical and photocatalytic cells
WO2017206137A1 (zh) * 2016-06-02 2017-12-07 深圳大学 一种异质结可饱和吸收镜及其制备方法、锁膜光纤激光器
CN107442139A (zh) * 2017-07-11 2017-12-08 河南师范大学 用于高效降解龙胆紫的片状Z型SnS2/Bi2MoO6异质结光催化材料的制备方法
CN107621567A (zh) * 2017-09-13 2018-01-23 吉林大学 一种半导体光电材料瞬态光电流测量系统及测量方法
CN108355678A (zh) * 2018-03-09 2018-08-03 南昌航空大学 一种硫化锡-钨酸铋复合微米花球及其制备方法和应用
CN110449167A (zh) * 2019-08-08 2019-11-15 南京理工大学 一种Bi2WO6与SnS2构建形成异质结构复合材料及其制备方法
CN110487864A (zh) * 2019-09-03 2019-11-22 中南大学 一种水体中氯离子浓度的光电化学检测方法
CN112538638A (zh) * 2020-11-19 2021-03-23 中国科学院海洋研究所 一种高效的Bi2MoO6包覆BiVO4异质结光电极体系的制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MINGWEI LUO 等: "Band alignment of type-I SnS2/Bi2Se3 and type-II SnS2/Bi2Te3 van der Waals heterostructures for highly enhanced photoelectric responses", 《SCIENCE CHINA MATERIALS》 *
SHUANKUI LI 等: "Optimized hetero-interfaces by tuning 2D SnS2 thickness in Bi2Te2.7Se0.3/SnS2 nanocomposites to enhance thermoelectric performance", 《NANO ENERGY》 *
XIAOYU CHOU 等: "Constructing heterojunction of BiPO4/SnS2 nano-flower with sharp-tips effect and bi-functional catalyst as a direct Z-scheme system for high-efficiency photocatalytic performance", 《MATERIALS CHEMISTRY AND PHYSICS》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114235926A (zh) * 2021-12-23 2022-03-25 山东大学 光电化学生物传感平台及构建方法与其在piRNA检测中的应用
CN116121873A (zh) * 2023-02-09 2023-05-16 兰州城市学院 一种碲化锑-二硫化钨垂直异质结纳米材料及其制备方法
CN116121873B (zh) * 2023-02-09 2024-03-08 兰州城市学院 一种碲化锑-二硫化钨垂直异质结纳米材料及其制备方法

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