CN219810542U - 一种光电化学型光探测器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及光电探测领域，具体提供了一种光电化学型光探测器，该光探测器包括反应容器、容器盖、电解质溶液、工作电极、对电极、参比电极。电解质溶液设置于反应容器内，容器盖盖合反应容器。反应容器的侧壁上固定设置有透光窗口；用于透过光。容器盖上设置有三个贯穿孔，工作电极、对电极、参比电极可拆卸固定设置于容器盖，工作电极、对电极、参比电极贯穿三个贯穿孔，工作电极设置于反应容器中间位置，对电极和参比电极设置于工作电极的两侧，工作电极、对电极、参比电极浸入电解质溶液，工作电极由透明基底、第一结构层、第二结构层依次固定连接组成。本申请光电化学型光探测器的稳定性较强。
Description
技术领域
本申请涉及光电探测领域，具体而言，涉及一种光电化学型光探测器。
背景技术
光探测器是一种将光信号转换为电信号的器件，也就是将携带能量的电磁辐射转化为光电流或光电压等。光电化学(photoelectrochemical，PEC)型探测器其具有可调节性强、制备成本低和工艺简单等优势，激发信号与监测信号之间的相互干扰极弱，为新兴的光子技术和微型化器件的发展带来了契机。光探测器的稳定性是衡量光探测器性能的重要参数。
电解质溶液通常分为酸性、碱性、中性三种。电极在酸性、碱性、中性溶液中长时间工作时，检测到的光电流或光电压不随时间明显减弱，即稳定性较好，检测到的光电流或光电压随时间明显减弱，即稳定性较差。一般电解质溶液为中性时，光探测器的稳定性较好，电解质溶液为酸性或碱性时，光探测器的稳定性较差。例如：现有光探测器将Te等类石墨烯材料利用化学沉积等工艺制备于ITO或FTO上作为工作电极使用；在酸性电解质溶液中，工作电极附近工作电极材料与H+之间产生强烈的化学反应，反应进行一段时间后，工作电极材料从ITO或FTO上脱落，降低光探测器的稳定性；在碱性电解质溶液中，工作电极附近工作电极材料与OH-之间产生强烈的化学反应，反应进行一段时间后，工作电极材料从ITO或FTO上脱落，降低光探测器的稳定性；即在酸性和碱性电解质溶液中光探测器的稳定性较差。
综上所述，现有光探测器存在稳定性差的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种光电化学型光探测器，以解决现有技术中光电化学型光探测器的问题。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
本申请提供一种光电化学型光探测器，该光探测器包括反应容器、容器盖、电解质溶液、工作电极、对电极、参比电极。电解质溶液设置于反应容器内，容器盖盖合反应容器。反应容器的侧壁上固定设置有透光窗口；用于透过光。容器盖上设置有三个贯穿孔，工作电极、对电极、参比电极可拆卸固定设置于容器盖，工作电极、对电极、参比电极贯穿三个贯穿孔。工作电极设置于反应容器中间位置，对电极和参比电极设置于工作电极的两侧，工作电极、对电极、参比电极浸入电解质溶液，工作电极由透明基底、第一结构层、第二结构层依次固定连接组成。也就是，第一结构层设置于透明基底的一侧，第二结构层固定设置于第一结构层远离透明基底一侧。透明基底、第一结构层、第二结构层之间的固定可以是通过挤压作用或原子分子间相互作用力或范德瓦尔斯作用力实现。这样一来，第一结构层的存在使得容易与电解质溶液产生化学反应的第二结构层距离透明基底较远，即附近电场的强度较弱，该反应的强度与周围电场的强度大小相关，从而使得反应的强度减弱，第二结构层材料的消耗速度快速降低，因此，第二结构层更稳定，光探测器的稳定性得到提升；同时，第一结构层和第二结构层的热力学氧化电位低于水的热力学氧化电位，光激发产生的空穴直接与水反应或迅速与电子重新结合，而不是表面自氧化，因此，光探测器的稳定性进一步被提升。
优选地，第一结构层的厚度为300nm-500nm，第二结构层的厚度为1μm-1.5μm；这样，第一结构层和第二结构层界面处比表面积较大，界面处表面缺陷密度较高，第一结构层和第二结构层之间的接触更加紧密，使得第二结构层不容易从第一结构层上脱落，提升光探测器的稳定性。另外，第一结构层和第二结构层之间接触紧密使得接触电阻较小，从而使得探测的光电流或光电压增大，即提升了光探测器的响应强度；第一结构层和第二结构层界面处的缺陷密度较高，使得界面处电荷的转移路径增多，从而增强了第一结构层和第二结构层之间的电荷转移速度，提升了光探测器的灵敏度。
更优选地，第二结构层一侧朝向透光窗口，且第二结构层的高度与透光窗口等高；使得光源能够正入射在第二结构层远离第一结构层一侧；产生更多的光生电子-空穴对，从而使得光生电势差更大，进而光生电流更大，提升光探测器的响应。
更优选地，透明基底、第一结构层、第二结构层的长度和宽度均为1cm-3cm。
更优选地，第一结构层和第二结构层的长度相等，第一结构层和第二结构层的宽度相等，透明基底的长度大于第一结构层的长度或透明基底的宽度大于第一结构层的宽度；以便于透明基底、第一结构层、第二结构层与导线之间形成较好的电接触。
更优选地，工作电极、对电极、参比电极的结构均是硬质中空棒状物一端固定设置有电极，连接导线的一端与电极连接，连接导线的另一端导线穿过硬质中空棒状物，硬质中空棒状物的另一端有连接导线接口。
更优选地，工作电极、对电极、参比电极与反应容器的底部不接触；工作电极、对电极、参比电极通过硬质中空棒状物与容器盖通过卡口固定可拆卸连接。
更优选地，工作电极、对电极、参比电极垂直浸入电解质溶液。
更优选地，第一结构层为SnS2、MoS2、WS2、TiS2、VS2、NbSe2中的一种；第二结构层为Te、六方氮化硼、黑磷中的一种。
更优选地，透明窗口的材料为透明材料，反应容器和容器盖的材料为硬质材料，透明基底为ITO或FTO导电基底。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
本申请的工作电极由透明基底、第一结构层、第二结构层依次固定连接组成。其中，第一结构层的存在使得容易与电解质溶液产生化学反应的第二结构层距离透明基底较远，附近电场的强度较弱，上述反应的强度与周围电场的强度大小相关，从而使得反应的强度减弱，第二结构层材料的消耗速度快速降低，因此，第二结构层更稳定，光探测器的稳定性得到提升。同时，第一结构层和第二结构层的热力学氧化电位低于水的热力学氧化电位，光激发产生的空穴直接与水反应或迅速与电子重新结合，而不是表面自氧化，进一步提升本申请光探测器的稳定性。
附图说明
图1为本实用新型提供的一种光电化学型光探测器的示意图；
图2为本实用新型提供的一种光电化学型光探测器中工作电极中电极结构的示意图；
图3为本实用新型提供的一种光电化学型光探测器的光电流密度曲线和其中工作电极仅为第二结构层和透明基底的情况下的光电流密度曲线对比结果；
图4为本实用新型提供的一种光电化学型光探测器在酸性、碱性、中性电解质溶液中的光电流密度曲线结果；
图5为本实用新型提供的一种光电化学型光探测器使用时的示意图。
图标：1-反应容器；2-容器盖；3-电解质溶液；4-工作电极；5-对电极；6-参比电极；7-透明基底；8-第一结构层；9-第二结构层。
具体实施方式
为了使本实用新型的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。
本实用新型提供了一种光电化学型光探测器，如图1所示，该光探测器包括反应容器1、容器盖2、电解质溶液3、工作电极4、对电极5、参比电极6。电解质溶液3设置于反应容器1内，容器盖2盖合反应容器1。反应容器1的侧壁上固定设置有透光窗口；用于透过光。反应容器1和容器盖2的材料为硬质材料，如不锈钢、二氧化硅等；透明窗口的材料为透明材料，如二氧化硅等。容器盖2上设置有三个贯穿孔，工作电极4、对电极5、参比电极6可拆卸固定设置于容器盖2的贯穿孔处，固定方式可以是通过卡扣固定连接，工作电极4、对电极5、参比电极6贯穿三个贯穿孔；工作电极4、对电极5、参比电极6构成三电极系统。具体地，工作电极4设置于反应容器1中间位置，对电极5和参比电极6设置于工作电极4的两侧。工作电极4、对电极5、参比电极6浸入电解质溶液3。电解质溶液3为Na2SO4水溶液、H2SO4水溶液、KOH水溶液等等。对电极5的电极材料可以为铂片；参比电极6的电极材料可以为汞-硫酸汞；工作电极4由透明基底7、第一结构层8、第二结构层9依次固定连接组成，如图2所示。
也就是说，第一结构层8设置于透明基底7的一侧，第二结构层9固定设置于第一结构层8远离透明基底7一侧。透明基底7、第一结构层8、第二结构层9之间的固定可以是通过挤压作用或原子分子间相互作用力或范德瓦尔斯作用力实现。这样一来，第一结构层8的存在使得容易与电解质溶液产生化学反应的第二结构层9距离透明基底7较远，即附近电场的强度较弱，该反应的强度与周围电场的强度大小相关，从而使得反应的强度减弱，第二结构层9材料的消耗速度快速降低，因此，第二结构层9更稳定，使得光探测器的稳定性得到提升。同时，第一结构层8和第二结构层9的热力学氧化电位低于水的热力学氧化电位，光激发产生的空穴直接与水反应或迅速与电子重新结合，而不是表面自氧化，因此，光探测器的稳定性进一步被提升。
第二结构层9一侧朝向透光窗口，且第二结构层9的高度与透光窗口等高；使得光源能够正入射在第二结构层9远离第一结构层8一侧；产生更多的光生电子-空穴对，从而使得光生电势差更大，进而光生电流更大，提升光探测器的响应。工作电极4、对电极5、参比电极6的结构均是硬质中空棒状物一端固定设置有电极，连接导线的一端与电极连接，连接导线的另一端导线穿过硬质中空棒状物，硬质中空棒状物的另一端有连接导线接口。工作电极4、对电极5、参比电极6通过硬质中空棒状物与容器盖2通过卡口固定可拆卸连接。具体地，工作电极4、对电极5、参比电极6与反应容器1的底部不接触，优选地，距离底部2cm-5cm。工作电极4、对电极5、参比电极6垂直浸入电解质溶液3。第一结构层8为SnS2、MoS2、WS2、TiS2、VS2、NbSe2中的一种；第二结构层9为Te、六方氮化硼、黑磷中的一种；透明基底7为ITO或FTO导电基底。优选地，第一结构层8和第二结构层9的形貌可以是纳米片、纳米管、纳米棒等等。
优选地，第一结构层8的厚度为300nm-500nm，第二结构层9的厚度为1μm-1.5μm；优选地，第二结构层9的厚度为1μm-1.2μm。这样一来，第一结构层8和第二结构9层界面处比表面积较大，界面处表面缺陷密度较高，第一结构层8和第二结构层9之间的接触更加紧密，使得第二结构层9不容易从第一结构层8上脱落，提升光探测器的稳定性。同时，第一结构层8和第二结构层9之间接触紧密使得接触电阻较小，增强了电子-空穴对的分离，降低了电子-空穴对的复合概率，从而使得探测的光电流或光电压增大，即提升了光探测器的响应强度；第一结构层8和第二结构层9界面处的缺陷密度较高，使得界面处电荷的转移路径增多，从而增强了第一结构层8和第二结构层9之间的电荷转移速度，提升了光探测器的灵敏度。第一结构层8和第二结构层9的长度相等，第一结构层8和第二结构9层的宽度相等，透明基底7的长度小于第一结构层8的长度或透明基底7的宽度小于第一结构层8的宽度；这样形成了电阻接触区，以便于透明基底7、第一结构层8、第二结构层9与导线之间形成较好的电接触。具体地，透明基底7、第一结构层8、第二结构层9的长度和宽度均为1cm-3cm；优选地，透明基底7的长度和宽度分别为2cm和3cm，厚度为0.6mm-0.8mm，第一结构层8的长度和宽度分别为2cm和2.5cm，第二结构层9的长度和宽度分别为2cm和2.5cm。
图3和图4为本实施例提供的实验结果，具体的材料、参数等仅是一个示例，并非对方案进行限定。具体地，图3为偏置电压为0.8V下，电解质溶液3为0.5mol/L的Na2SO4水溶液时，工作电极4电极材料为Te-ITO和Te-SnS2-ITO时的光电流密度曲线，其中后者的光电流密度曲线稳定后上下边缘平行，且对应光电流密度曲线的上下边缘对应的光电流密度大小随时间的变化十分微弱，也就是，光电流密度随着时间的推移并未出现明显的降低，因此，稳定性较好；Te-ITO对应的曲线，整体呈现下降趋势，即随着时间的推移光电流密度呈现下降趋势；通过对比，本申请光探测器的稳定性较强。同时，Te-SnS2-ITO对应的曲线上下边缘之间的纵坐标差值更大，也就是光电响应也得到了提升，因此，本申请光探测器的稳定性和响应强度均较强。图4为偏置电压为0.8V下，工作电极4电极材料为Te-SnS2-ITO，在不同的电解质溶液中的光电流密度曲线，具体地，使用的电解质溶液分别为：0.5mol/L的Na2SO4水溶液(中性电解质溶液)、0.5mol/L H2SO4水溶液(酸性电解质溶液)、0.5mol/L的KOH水溶液(碱性电解质溶液)，其中对应光电流密度曲线的上下边缘对应的光电流密度大小随时间的变化没有出现明显的下降，说明本申请光探测器在酸性、碱性、中性溶液中的稳定性均较强。需要说明的是，图4中由于展示了三种溶液稳定状态下的数据，而在酸性、碱性溶液中达到稳定状态所需要的时间较长，因此，横坐标开始时间为6000s，这里具体的数值与电解质溶液的种类、浓度、光源等均有关系，没有实际的参考意义，本实施例中的对比测试结果均是在相同的光照、电解质溶液、温度等条件下进行的，能够说明本申请光探测器的稳定性较强。
应用时，如图5所示，光源由透光窗口射入照射在工作电极4第二结构层9远离第一结构层8一侧，优选地，光源垂直照射。本实施例中的光源为氙灯。工作电极4、对电极5、参比电极6并联并经导线与电化学工作站连接，用于监测流经工作电极4和对电极5之间的光电流信号，具体地，检测光电流强度；电化学工作站与电脑连接，用于获取数据。也就是，工作电极4、对电极5、参比电极6均需并联经导线与电化学工作站相应的端口连接。需要注意，一般电解质溶液3的体积不超过反应容器溶剂的三分之二。电解质溶液3的种类、浓度、体积等需要根据实际情况具体设置。工作时，光照射在第二结构层9远离第一结构层8一侧，在第二结构层9中产生电子空穴对，在外加偏压作用下，电子空穴对分离，光生空穴由工作电极4通过导线流出，工作电极4得到电子，光生空穴经过电化学工作站，到达对电极5，对电极5得到空穴，失去电子，形成回路，电化学工作站探测工作电极4和对电极5之间的电流，即探测产生的光电流的强度，照射在工作电极4上的光强度不同，探测到的光电流强度不同，即通过光电流的强度变化能够探测光强度变化，实现光探测。
以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光电化学型光探测器，所述光探测器包括反应容器、容器盖、电解质溶液、工作电极、对电极、参比电极，所述电解质溶液设置于所述反应容器内，所述容器盖盖合所述反应容器，其特征在于，所述反应容器的侧壁上固定设置有透光窗口，所述容器盖上设置有三个贯穿孔，所述工作电极、所述对电极、所述参比电极可拆卸固定设置于所述容器盖，所述工作电极、所述对电极、所述参比电极贯穿所述三个贯穿孔，所述工作电极设置于所述反应容器中间位置，所述对电极和所述参比电极设置于所述工作电极的两侧，所述工作电极、所述对电极、所述参比电极浸入所述电解质溶液，所述工作电极由透明基底、第一结构层、第二结构层依次固定连接组成。
2.根据权利要求1所述的光电化学型光探测器，其特征在于，所述第一结构层的厚度为300nm-500nm，所述第二结构层的厚度为1μm-1.5μm。
3.根据权利要求2所述的光电化学型光探测器，其特征在于，所述第二结构层一侧朝向所述透光窗口，且所述第二结构层的高度与所述透光窗口等高。
4.根据权利要求3所述的光电化学型光探测器，其特征在于，所述透明基底、所述第一结构层、所述第二结构层的长度和宽度均为1cm-3cm。
5.根据权利要求4所述的光电化学型光探测器，其特征在于，所述第一结构层和所述第二结构层的长度相等，所述第一结构层和所述第二结构层的宽度相等，所述透明基底的长度大于所述第一结构层的长度或所述透明基底的宽度大于所述第一结构层的宽度。
6.根据权利要求5所述的光电化学型光探测器，其特征在于，所述工作电极、所述对电极、所述参比电极的结构均是硬质中空棒状物一端固定设置有电极，连接导线的一端与电极连接，连接导线的另一端导线穿过所述硬质中空棒状物，所述硬质中空棒状物的另一端有连接导线接口。
7.根据权利要求6所述的光电化学型光探测器，其特征在于，所述工作电极、所述对电极、所述参比电极与所述反应容器的底部不接触；所述工作电极、所述对电极、所述参比电极通过所述硬质中空棒状物与所述容器盖通过卡口固定可拆卸连接。
8.根据权利要求7所述的光电化学型光探测器，其特征在于，所述工作电极、所述对电极、所述参比电极垂直浸入所述电解质溶液。
9.根据权利要求1-8任一所述的光电化学型光探测器，其特征在于，所述第一结构层为SnS2、MoS2、WS2、TiS2、VS2、NbSe2中的一种；所述第二结构层为Te、六方氮化硼、黑磷中的一种。
10.根据权利要求1-8任一所述的光电化学型光探测器，其特征在于，所述透明窗口的材料为透明材料，所述反应容器和所述容器盖的材料为硬质材料，所述透明基底为ITO或FTO导电基底。
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2023
- 2023-02-28 CN CN202320334535.7U patent/CN219810542U/zh active Active
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