CN114141956A - 一种导电高分子/硒化锑异质结及其制备方法与光电应用 - Google Patents

一种导电高分子/硒化锑异质结及其制备方法与光电应用 Download PDF

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Abstract

发明提供了一种导电高分子/硒化锑异质结及其制备方法与光电应用，属于半导体纳米材料技术领域。本发明以金属盐混合Sb2Se3作为前驱体，以云母或硅片作为载体，通过化学气相沉淀法制备超薄Sb2Se3纳米三角片；然后采用PMMA辅助转移法将超薄Sb2Se3纳米三角片转移至衬底；最后使用标准旋涂法制备导电高分子/硒化锑异质结。所述导电高分子/硒化锑异质结，借由导电高分子的可调节带隙，可以获得更高质量的异质结型光电探测器。

Description

一种导电高分子/硒化锑异质结及其制备方法与光电应用
技术领域
本发明属于半导体纳米材料技术领域，尤其是指一种导电高分子/硒化锑异质结及其制备方法与光电应用。
背景技术
自低维纳米材料出现以来，由于其独特的物理化学性能，受到了科研人员的广泛关注，由于低维纳米材料具有小尺寸、大的比表面积、可调光吸收、较长的光电子寿命以及较高的载流子迁移率等特性，使得它在光电探测领域具有很大的应用前景，使用低维纳米材料制成的光电探测器具有许多优异的光电性能，例如高响应度、超高光电增益、快速响应、亚波长效应、低功耗等，此外由于低维材料的尺寸小，且与目前半导体微电子技术有着较为良好的兼容性，基于低维纳米材料的光电探测器进一步促进了光电探测器的高度集成和小型化，这对于未来高性能光电探测器系统的发展至关重要。
Sb2Se3作为一种典型的p型二元半导体材料，禁带宽度大约为1.0-1.2ev，与硅的禁带宽度1.1ev相近，而且它吸收系数为105cm-1，可以很好的弥补硅基光电探测器在吸收范围和吸收率这方面的不足，同时，构成Sb2Se3的主要元素Sb和Se在地壳中的含量十分的丰富，基于上述优点，Sb2Se3凭借其光学性质优异，成本低，被广泛的应用到诸如气体传感、催化、电致变色等相关领域。基于单根Sb2Se3纳米带和纳米棒形貌结构的探测器已有报道，但是存在较小响应度和开关比过小(～17)的问题，为了进一步提升性能，获得更高的响应度和更大的开关比，急需将目标瞄准在基于Sb2Se3的异质结型光电探测器上。
肖特基势垒(Schottky)、pn结和异质结的光伏效应是解决以上问题的有效途径。目前，报道较多的是无机/无机型半导体异质结纳米结构如Sb2Se3纳米带/Si、Sb2Se3/AgSbSe2异质结结构的II型能带排列的混合纳米棒、Sb2Se3薄膜/VO2等。但是无机/无机异质结型光电探测器对混合材料和器件加工技术有许多要求，导致成本高、加工复杂，限制了实际应用。因此，采用简便、低成本的方法制备高质量、稳定的光电探测器是提高其性能的必要条件。为了解决上述问题，使用有机半导体代替无机半导体成为了一个简单有效的方式。其中p型导电高分子(聚苯胺PANI，聚吡咯PPy和聚噻吩PEDOT/P3HT)备受科研人员的青睐，聚苯胺(PANI)具有很多优点，比如：高的导电性，好的机械柔韧性，低成本以及高理论比容量。聚吡咯(PPy)是π键聚合物链状的结构、导电性能好、抗氧化性能好，与其他导电高分子相比，具有较高的电导率、易成膜、无毒等优点。聚噻吩(PEDOT/P3HT)的环境稳定性、热稳定性都不错，不易分解并且可以溶于大部分有机溶剂，是重要的荧光材料。PANI/TiO2纳米棒高性能紫外光电探测器以及导电高分子/Se微米管的异质结基自驱动紫外-可见光电探测器，已经证明了使用有机/无机半导体异质结来来实现高性能和自驱动的光电探测器的可行性。但是，导电高分子和Sb2Se3的结合还未有人深入研究过。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种导电高分子/硒化锑异质结及其制备方法与光电应用。
一种导电高分子/硒化锑异质结的制备方法，包括以下步骤：
(1)将金属盐与Sb2Se3混合作为前驱体，以云母作为载体，采用化学气相沉淀法制备得到Sb2Se3纳米三角片；
(2)采用PMMA辅助转移法将Sb2Se3纳米三角片从云母转移至衬底，将导电高分子涂覆于负载在衬底上的Sb2Se3纳米三角片的表层，得到所述导电高分子/硒化锑异质结。
在本发明的一个实施例中，步骤(1)中，所述金属盐与Sb2Se3的质量比为1:(1-10)。
在本发明的一个实施例中，步骤(1)中，所述金属盐为NaCl、Na2SO4、NaBr、NaI、KCl、KBr或KI中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，步骤(1)中，化学气相沉淀法步骤：在惰性气氛下，将所述前驱体置于加热器皿中，并将云母放置于所述前驱体表层，加热得到所述Sb2Se3纳米三角片。
在本发明的一个实施例中，所述加热过程：在20-30分钟内上升至生长温度600-800℃，并恒温10-30分钟。
在本发明的一个实施例中，所述惰性气氛的条件：使用速度为30-80sccm的氩气作为载气，Sb2Se3纳米三角片的加热过程结束后，冷却并关闭氩气。
在本发明的一个实施例中，步骤(2)中，所述PMMA辅助转移法步骤为：将PMMA涂覆在云母上的超薄Sb2Se3纳米三角片上，100-150℃烘烤10-15分钟得到PMMA/Sb2Se3/云母，将所述PMMA/Sb2Se3/云母浸入水中2-3h，得到PMMA/Sb2Se3薄膜，并转移至衬底上，然后在80-150℃下烘烤5-10分钟，放入有机溶剂中去除PMMA，得到负载在衬底上的Sb2Se3纳米三角片。
在本发明的一个实施例中，所述有机溶剂为丙酮。
在本发明的一个实施例中，所述涂覆的方式为旋涂，PMMA旋涂的速度为2000-3000rpm，持续时间为1-5分钟。
在本发明的一个实施例中，步骤(2)中，所述导电高分子为聚苯胺、聚吡咯或者聚噻吩。
本发明还提供了所述的制备方法得到的导电高分子/硒化锑异质结。
本发明还提供了所述导电高分子/Sb2Se3异质结在光电探测器中的应用。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的关于Sb2Se3异质结的构成大部分都是无机/无机型，这种结构在材料混合和器件加工方面有着诸多要求，从而导致生产成本高，加工难度复杂等问题，严重的限制了Sb2Se3异质结在光电领域的应用。本发明合成了Sb2Se3纳米三角片，并将之与导电高分子制成无机/有机异质结，制备过程比较简单，成本相对较低，很好的利用了导电高分子来实现高内建电场的异质结的制备，从而获得高性能的导电高分子/硒化锑纳米三角片异质结。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明实施例1制备的Sb2Se3纳米三角片的光学显微镜图片。
图2是本发明实施例1制备的聚苯胺/Sb2Se3纳米三角片异质结的I-t曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
光电性能测试方法：通过磁控溅射方法将Ti/Au镀膜于聚苯胺/Sb2Se3纳米三角片异质结的掩膜版，作为上层电极，掩膜版的叉指长10mm宽390mm，得到两Ti/Au电极间距离2mm左右。器件的电流-电压(I-V)和电流-时间(I-t)特性测试采用双探针法。
实施例1：制备PANI/Sb2Se3纳米三角片异质结
采用化学气相沉淀法生长高质量的超薄Sb2Se3纳米三角片，具体的生长条件是：将以NaCl和Sb2Se3按质量比1:2混合后作为前驱体，在石英舟中充分研磨并放置在单温区管式炉的中心区域，单温区管式炉的中心区域的炉温在20分钟内上升至生长温度700℃，并在10分钟内保持700℃以生长超薄Sb2Se3纳米三角片。在整个升温及晶体生长过程中，通入速度为30sccm的氩气作为载气，生长过程结束后，炉温冷却至100℃以下，关闭氩气。对氟晶云母上的超薄Sb2Se3纳米三角片使用PMMA旋涂并在150℃下烘烤15分钟，PMMA旋涂的速度为2000rpm，持续时间为5分钟。然后将PMMA/Sb2Se3/云母浸入去离子水中3h，然后将分离的PMMA/Sb2Se3薄膜转移至SiO2/Si片，然后在120℃下烘烤10分钟，再使用丙酮去除PMMA，从而在SiO2/Si衬底上得到超薄Sb2Se3纳米三角片，如图1所示。
采用标准旋涂法制备PANI/Sb2Se3纳米三角片异质结，具体的制备过程是：将PANI旋涂在SiO2/Si衬底上的Sb2Se3纳米三角片之上，形成PANI/Sb2Se3纳米三角片异质结，PANI均匀覆盖在Sb2Se3纳米三角片上，形成双层结构。制作异质结器件，从图2看出在波长940nm的激光照射电压为0V时光电流达到18.5nA，上升时间15ms和恢复时间30ms。
实施例2：制备PPy/Sb2Se3纳米三角片异质结
采用化学气相沉淀法生长高质量的超薄Sb2Se3纳米三角片，具体的生长条件是：将以NaCl和Sb2Se3按质量比1:2混合后作为前驱体，在石英舟中充分研磨并放置在单温区管式炉的中心区域，单温区管式炉的中心区域的炉温在20分钟内上升至生长温度700℃，并在10分钟内保持700℃以生长超薄Sb2Se3纳米三角片。在整个升温及晶体生长过程中，通入速度为30sccm的氩气作为载气，生长过程结束后，炉温冷却至100℃以下，关闭氩气。对氟晶云母上的超薄Sb2Se3纳米三角片使用PMMA旋涂并在150℃下烘烤15分钟，PMMA旋涂的速度为2000rpm，持续时间为5分钟。然后将PMMA/Sb2Se3/云母浸入去离子水中3h，然后将分离的PMMA/Sb2Se3薄膜转移至SiO2/Si片，然后在120℃下烘烤10分钟，再使用丙酮去除PMMA，从而在SiO2/Si衬底上得到超薄Sb2Se3纳米三角片。
采用标准旋涂法制备PPy/Sb2Se3纳米三角片异质结，具体的制备过程是：将PPy旋涂在Si/SiO2衬底上的Sb2Se3纳米三角片之上，形成PPy/Sb2Se3纳米三角片异质结，PPy均匀覆盖在Sb2Se3纳米三角片上，形成双层结构。制作异质结器件，波长940nm的激光照射电压为0V时光电流达到10nA，上升时间31ms和恢复时间50ms。
实施例3：制备PEDOT/Sb2Se3异质结纳米棒
采用化学气相沉淀法生长高质量的超薄Sb2Se3纳米三角片，具体的生长条件是：将以NaCl和Sb2Se3按质量比1:2混合后作为前驱体，在石英舟中充分研磨并放置在单温区管式炉的中心区域，单温区管式炉的中心区域的炉温在20分钟内上升至生长温度700℃，并在10分钟内保持700℃以生长超薄Sb2Se3纳米三角片。在整个升温及晶体生长过程中，通入速度为30sccm的氩气作为载气，生长过程结束后，炉温冷却至100℃以下，关闭氩气。对氟晶云母上的超薄Sb2Se3纳米三角片使用PMMA旋涂并在150℃下烘烤15分钟，PMMA旋涂的速度为2000rpm，持续时间为5分钟。然后将PMMA/Sb2Se3/云母浸入去离子水中3h，然后将分离的PMMA/Sb2Se3薄膜转移至SiO2/Si片，然后在120℃下烘烤10分钟，再使用丙酮去除PMMA，从而在SiO2/Si衬底上得到超薄Sb2Se3纳米三角片。
采用标准旋涂法制备PEDOT/Sb2Se3纳米三角片异质结，具体的制备过程是：将PEDOT旋涂在Si/SiO2衬底上的Sb2Se3纳米三角片之上，形成PEDOT/Sb2Se3纳米三角片异质结，如图2所示，PEDOT均匀覆盖在Sb2Se3纳米三角片上，形成双层结构。制作异质结器件，波长940nm的激光照射电压为0V时光电流达到5nA，上升时间25ms和恢复时间43ms。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种导电高分子/硒化锑异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将金属盐与Sb2Se3混合作为前驱体，采用化学气相沉淀法制备得到Sb2Se3纳米三角片；
(2)采用PMMA辅助转移法将Sb2Se3纳米三角片转移至衬底，将导电高分子涂覆于负载在衬底上的Sb2Se3纳米三角片的表层，得到所述导电高分子/硒化锑异质结。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属盐与Sb2Se3的质量比为1:1-10。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属盐为NaCl、Na2SO4、NaBr、NaI、KCl、KBr或KI中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，化学气相沉淀法步骤：在惰性气氛下，将所述前驱体置于加热器皿中，并将载体放置于所述前驱体表层，加热得到所述Sb2Se3纳米三角片。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述加热过程：在20-30分钟内上升至生长温度600-800℃，并恒温10-30分钟。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述PMMA辅助转移法步骤为：将PMMA涂覆在载体上的超薄Sb2Se3纳米三角片上，100-150℃烘烤10-15分钟得到PMMA/Sb2Se3/载体，将所述PMMA/Sb2Se3/载体浸入水中2-3h，得到PMMA/Sb2Se3薄膜，并转移至衬底上，在80-150℃下烘烤5-10分钟，浸入有机溶剂中，得到负载在衬底上的Sb2Se3纳米三角片。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述涂覆的方式为旋涂，PMMA旋涂的速度为2000-3000rpm，持续时间为1-5分钟。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述导电高分子为聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩。
9.权利要求1-8中任一项所述的制备方法得到的导电高分子/硒化锑异质结。
10.权利要求9所述的导电高分子/硒化锑异质结在光电探测器中的应用。
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