選用LED激光器評價新型柔性光電探測器性能的研究

晁軍峰，邢淑敏，任 剛

（1.淮南師范學院 電子工程學院，安徽 淮南 232038；2.淮南師范學院 數學與金融學院，安徽 淮南 232038）

光電器件是將光信號的變化轉換為電信號的一種器件，它是構成光電子傳感器的最主要部件。在光線照射下，半導體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度，就激發出電子空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值減低。基于該種光電導效應的光電子裝置的研究已經吸引了眾多研究者的興趣，相應的紫外、可見和近紅外探測方面的研究也得到快速發展，同時部分基于半導體納米材料的光電導探測器或者光電開關已經進入實際的應用領域[1-3]。

硫化鉍是A2B3型V-VI族化合物大家中的一員，其具有良好的光敏感性和高的溫差電勢率，并且由于其帶隙(1.3 eV ～1.7 eV）覆蓋了整個太陽光譜范圍，因此往往作為有希望得到應用的下一代光電探測器的光電轉換材料[4-6]。本文在借鑒前人研究成果的基礎上成功制作了一種新型的基于Bi2S3材料的柔性可見光光電探測器，并利用LED激光器檢驗了其光電性能，發現該探測器具有較小的質量，優異的響應特性和對弱激光束的極強的敏感性。

1 實驗材料的制備和光電探測器的制作

1.1 準備多孔針狀硫化鉍薄膜材料

實驗中選用的所有試劑都是分析純級別的，沒有經過進一步的提純。首先取1 mM的硝酸鉍和3 mM的硫脲，加入裝有45 mL的去離子水的燒杯中充分攪拌，使之完全溶解，把該溶液導入由聚四氟乙烯為原料制成的高壓釜內膽中，然后加入清洗干凈的導電玻璃（FTO）若干片，封住開口，裝入鐵壓力外殼中，逐步升溫到180℃并保持該溫度36 h。待反應完成后，自然降溫至室溫，把長有棕灰色沉淀的FTO片用無水乙醇和去離子水反復洗滌多次，然后在真空干燥箱中80℃干燥30 min，收集備用。

1.2 選用材料的表征和測試設備

材料的形貌特征選用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡進行表征，晶體結構特征測試選用X射線衍射儀，吸收光譜的測試選用紫外可見分光光度計（UV-3150），光電特性的測試選用自助光電測試系統（AUT84315），多波長可見光激光束來源于LED激光器。

1.3 柔性光電探測器的制作

柔性光電探測器的制作步驟為：首先用去離子水和無水乙醇將柔性基底聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）清洗多次，然后將PET加入裝有酒精的燒杯中，超聲處理100 min，取出干燥，用導電筆在一個表面上平行畫出導電銀絲，干燥處理。將一定量的FTO上的硫化鉍材料刮下來倒入石英研缽中，加入少量的乙基纖維素和松油醇，然后加入無水乙醇研磨使之混合均勻并制成糊狀，將該糊狀材料均勻涂覆在按照恒定距離均勻排列的銀絲中間，放入真空干燥箱中保持80℃溫度干燥1 h，使樣品能夠牢固粘貼在PET上。

2 實驗結果和性能分析

2.1 Bi2S3材料的物相分析

圖1是實驗制備的材料通過X射線衍射儀測得的結構譜圖，通過對比標準譜可以發現該曲線的特征峰與晶格標準卡Bi2S3(JCPDS No.17-0320)完全對應，同時可以得到該種材料的晶格常數為a = 1.114 9 nm, b = 1.130 4 nm，c = 0.398 1 nm，沒有發現其他雜質峰，顯示極高的純度，確定該種棕灰色材料為硫化鉍。

圖1 FTO片上材料的X射線衍射譜

在常溫下測量了該材料的吸收光譜，測量結果如圖2a所示。從曲線上可以看出，硫化鉍材料吸收譜線包含了整個可見光和近紅外波段,是制作可見光光電探測器的理想材料。根據公式(αhν)2=A(hν-Eg)，可以判斷出該材料為直接帶隙，利用Kubelka-Munk方程式作(αhν)2-hν曲線如圖2b所示，可以確定其帶隙寬度為1.23 eV，這些數值和文獻[7]中的相關報道相符。這樣就更進一步驗證了該實驗體系可以方便的制備理想的可見光光電探測器吸收層的硫化鉍材料。

圖2 半導體硫化鉍多孔針狀材料的（a）吸收譜圖，（b）帶隙譜圖

2.2 Bi2S3材料的形貌及微觀結構

采用JSM-6701F型掃描電子顯微鏡探究材料的微觀形貌如圖3所示。圖3a為FTO片切面上顯示的硫化鉍材料的掃描電鏡圖片，從圖上可以看出，在FTO上生長了一層厚度大約為200 μm-300 μm的樣品，樣品緊貼導電玻璃表面，生長均勻。從FTO片正面（圖3b）觀察可以看到材料由小型的棒狀形貌組成，形態基本均勻，棒狀表面有針狀凸起。從高倍透射顯微鏡圖片（圖3c）可以看出，棒狀結構由多孔針狀結構組成，針的長度大約為500 nm-1 000 nm，針狀結構相互交叉形成多孔結構。圖3d為FTO片上薄膜層部分拍攝的的高倍透射電鏡圖像，可見其中有0.39 nm的晶格，對應于Bi2S3材料的（220）晶面，內嵌的選區電子衍射圖顯示晶格原子呈圓環型排列，該樣品具有極高的結晶度，材料為多晶結構。

圖3 掃描電子顯微鏡觀察材料的微觀形貌

2.3 柔性光電探測器的性能測試

為了滿足將來產品的應用需求，我們對制作出的柔性光電探測器進行了彎折測試，圖4為不同彎折角度下的柔性光電探測器圖片，發現其具有極好的柔性，而且在彎折狀態下的性能也保持的很好。同時，由于光電探測器制作好后進行了熱處理，所以樣品粘貼得比較牢固，雖然經過多達上百次的反復彎折仍然可以保持原貌，樣品和銀電極均可以保持牢固的粘貼，這為將來的實際應用打下了良好的基礎。

圖4 柔性光電探測器實物

對該種新型柔性光電探測器性質方面的測試主要包括兩個方面。從測量得到的電流-電壓曲線圖5a上可以看出，這種柔性可見光光電探測器的測量電壓選擇范圍為（-10～10）v，測量用光源選用可見光450 nm激光束和650 nm激光束，光照強度同意調整為0.12 mW/cm2。從圖上可以看出電流隨電壓變化為線性，顯示良好的歐姆接觸，說明柔性基底上的焊接可以滿足實際的需求。在10 v時，當外界環境從暗態變化到光照狀態時電流強度從2.03 μA分別增加到到5.21 μA和6.18 μA，分別對應于450 nm和650 nm入射激光束。通過圖5b可以看出，在10 v的偏壓下，隨著光源的打開和關閉兩種狀態的不斷轉化，電流強度隨之發生變化，可以看出其開關特性和圖5a可以很好地對應，從暗態變化到光照狀態時電流強度隨時快速增加，開關比分別為2.57和3.04，顯示出良好的開關特性。

圖5 基于硫化鉍的柔性光電探測器的（a）電流-電壓曲線和（b）電流-時間曲線

3 結論

隨著高科技的快速發展，越來越多的檢測器件需要適應特殊的環境，因此柔性器件具有更多更寬泛的應用領域，其研究也逐漸受到廣大科研工作者的重視。我們利用水熱路線制備成功了硫化鉍半導體材料，并將其制作成柔性光電探測器，這種新型的光電探測器具有較小的質量、可以彎曲一定角度和彎曲后仍然具有高度的穩定性。這種新型光電探測器的研究成功，將對相應領域光電器件的更進一步發展和應用產生積極的指導意義。