福州大学程树英教授、邓辉副教授团队《ACS AMI》：面向弱光信号探测的自供电硫化锑薄膜光电探测器

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用于微弱光信号探测的光电探测器（PD）在成像、通信、军事、生物医学等方面具有广泛的应用。硫化锑（Sb₂S₃）作为一种无毒、含量丰富且吸光能力强的光敏材料，其薄膜制备工艺简单、质量优良，具有商业应用与大面积生产的应用前景。由于微弱光信号收集困难、响应弱，对材料性质和器件质量、性能要求较高。福州大学程树英教授、邓辉副教授团队提出构建高性能自供电的TiO₂/Sb₂S₃ 结型光电探测器，在内部实现吸收层厚度与耗尽区宽度匹配，增强电荷传输；在外部设计金字塔状的聚二甲基硅氧烷（PDMS）陷光膜，增强光吸收能力，使器件实现在1 μW/cm²弱光下的高探测率，为微弱光信号探测应用产品的发展提供方案。相关工作以“Self-Powered Sb₂S₃ Thin-Film Photodetectors with High Detectivity for Weak Light Signal Detection”为题，发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，福州大学邓辉老师和程树英教授为通讯作者，硕士生林霄为第一作者，该工作由南昌大学夏勇博士和吴之旭博士协助完成。 
图1. （a）器件照片和结构示意图；（b）TiO₂/Sb₂S₃层能带图。 Sb₂S₃薄膜在可见光波段具有极强的吸光能力，其吸光系数超过10⁵ cm^-1，非常适合用于弱光信号探测。如图1，该光电探测器的结构为PDMS/glass/FTO/TiO₂/Sb₂S₃/Au）。理论研究与实验表明，过薄的吸收层导致器件无法充分吸收、利用入射光信号且易出现薄膜覆盖不均、质量不佳等问题，而过厚的吸收层虽然保证薄膜致密，但会导致中性区的产生，从而使载流子作自由运动，无法被两端电极完全收集。两种情况都无法使器件性能达到最优。因此，实验设计的关键之处为通过调控薄膜沉积时间从而控制薄膜厚度，不仅探究薄膜厚度与耗尽区宽度相匹配关系，而且保证薄膜质量。 
图2 不同Sb₂S₃薄膜厚度的光电探测器的光电特性薄膜厚度的光电特性。(a) 入射波长为530 nm、光功率密度为4 mW/cm²时的I-t曲线；(b)响应度R；(c) 反向偏置下的散粒噪声电流；(d) 3dB带宽。 
图3. （a）光电探测器的电容电压特性；（b）耗尽区宽度；（c，d）光电探测器吸收层与耗尽区匹配性示意图。
通过对不同Sb₂S₃薄膜厚度的光电探测器的性能进行对比，发现当膜厚为460 nm时器件性能最优，可在530 nm波长下4 mW/cm² 光功率密度下达到1.89 A/W 的响应度和1.58 × 10¹³ Jones的比探测率，其他的各项参数也达到实验器件中的最优。 
图4. （a）不同尺寸PDMS的I-t图；（b）开关比；（c）响应度和比探测率；（d）不同光强下的I-t响应；（e）不同光强下的I-V曲线；（e）T-t曲线的高精度扫描。
为了进一步增强光响应能力，本团队设计并制备PDMS陷光膜置于入光面。PDMS膜内整齐排列的金字塔型微结构，使原本反射损失的光在膜内进行二次反射，最后被器件吸收利用。通过优化PDMS的尺寸，使得探测器光响应得到显著提升，光电流提升了13.6%。器件最终实现在530 nm波长下1 μW/cm² 光功率密度下响应度3，41 A/W和比探测率2.84 × 10¹³ Jones。并且，器件响应速度为15 μs，其3dB带宽为365 kHz。调控耗尽区匹配性和陷光增强，使得Sb₂S₃薄膜光电探测器对微弱光信号具有高的探测能力和响应速度，并且制备工艺简单，器件稳定，具有较大的应用前景。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.1c25256

作者简介

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程树英教授、博士、博士生导师，福州大学教学名师，宝钢优秀教师奖获得者。福州大学物理与信息工程学院副院长，福建省光伏行业技术开发基地、福建省博导团队“微纳器件及其智能化应用”和国家一流专业“电子科学与技术”建设点负责人；福州大学学术委员会和学位委员会委员，微电子学与固体电子学博士点负责人；中国微米纳米学会理事，中国仪器仪表学会微纳器件与系统技术学会常务理事，中国电子教育学会研究生教育分会理事，中国电子学会真空分会委员，等等。主要从事光电薄膜材料与器件、薄膜太阳电池、光伏系统及应用等方面的研究，作为项目负责人完成3项国家基金和10多项省部级科研项目以及多项校企合作项目，目前承担1项国家基金和多项省部级科研项目。在Nature communications, Nano energy, Solar RRL, Applied energy等重要刊物上发表学术论文160余篇，其中SCI或EI收录100余篇，论文曾获第九届福建省自然科学优秀学术论文二等奖；申请发明专利70余件，授权60余件。获得福建省教学成果特等奖和二等奖各1项；指导学生参加国家级、省级和校级创新项目10多项，指导学生在各类创新创业大赛中获得佳绩，包括国家级特等奖1项、一等奖（金奖）2项、二等奖2项，以及省级一、二等奖多项，并在国家级奖项中多次获得优秀指导老师和最佳指导老师等称号。 邓辉，博士、硕士生导师、福州大学校聘副教授，福建省C类人才。2019年6月在华中科技大学武汉光电国家实验室获得博士学位。长期从事半导体材料与器件方面的研究，主要研究锑基铜基薄膜太阳能电池和光电探测器。目前承担1项国家基金和多项省级科研项目。发表SCI论文近40篇，H因子21。其中一作或通讯作者发表SCI论文13篇，授权专利4件，包括Nature communications、Nano Letters、Advanced Functional Materials等材料及光伏领域的高水平期刊，三篇被评为ESI高被引论文。

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