近期，中科院合肥研究院固體所科研人員在可見-近紅外光電探測研究方面取得進展，獲得了高性能的可見-近紅外錫離子Sn²⁺敏化的PbS薄膜光電探測器。相關結果以“High-performance visible-near IR photodetectors based on high-quality Sn²⁺-sensitized PbS films”為題發表在Journal of Alloys and Compounds上。

　   光電探測在環境監測、光通訊、生物醫學成像和軍事預警等領域具有廣泛的應用前景。PbS是一種直接帶隙半導體，在可見光到紅外光范圍內具有較高的光吸收系數，非常適合作為可見-紅外光的探測材料，但是PbS中通常存在大量的缺陷，導致其光電性能較差。

       前期，為提高光電響應度，研究團隊將金納米棒修飾到PbS的表面，借助金納米棒的等離共振增強效應將PbS的光響應度提升了125%-175%。通過改變金納米棒的高度，調整金納米棒的等離共振峰，進而將光響應的最佳位置從可見光范圍調整到近紅外光范圍 (J. Mater. Chem. C, 6,7, 1767-1773(2018))。

　　目前，提高PbS光電特性的途徑主要是在PbS中增加敏化中心：第一，在氧氣環境中進行高溫快速熱處理，使PbS的帶隙中引入敏化中心和附加態能級，從而提高載流子壽命，但該方法重復性較差；第二，利用高能激光器對PbS薄膜進行增敏，由于受到激光光斑大小的影響，導致薄膜增敏不均勻，而且高能激光可能會破壞薄膜結構，因此難以規模化生產；第三，在化學沉淀PbS過程中進行化學敏化，通過在反應溶液中加入強氧化劑（過氧化氫、過氧化鈉、水合肼等）來引入敏化中心，雖然提高了敏化效率，但強氧化劑的大量使用使批量生產存在一定的安全隱患。

　   鑒于此，團隊科研人員采用安全有效的摻雜敏化法，通過添加Sn²⁺對PbS進行敏化來提高其光電特性。研究結果表明，Sn²⁺的加入，延長了PbS薄膜形成的誘導期，提高了PbS結晶性，增大了晶粒尺寸，進而獲得了高質量的Sn²⁺敏化的PbS薄膜（圖1）。Sn²⁺敏化的PbS薄膜在可見光到近紅外光的寬光譜范圍內表現出優異的光電性能（圖1）。在0.45 mW mm^-2的980nm光照下，Sn²⁺敏化的PbS探測器光響應度達22.34 A W^-1，探測率達2.26×10¹⁰ cm Hz^1/2 W^-1。與純PbS相比，其光響應度提高了約5倍，探測率提升了約7倍（圖2）。同時，Sn²⁺敏化使得其響應時間降低到微秒量級，僅是純PbS薄膜探測器響應時間的十萬分之一（圖3a）。此外，該探測器對不同頻率的脈沖光響應的穩定性高（圖3b），在4 kHz高頻脈沖光照射下，仍具有優異的穩定性和開關重復性能（圖3c）。該工作表明Sn²⁺敏化的PbS薄膜可以被用作探測紅外光的有效材料。

　　以上研究得到了國家自然科學基金項目的資助。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160860。

　　圖1. 純PbS和Sn²⁺敏化的PbS薄膜光電探測器在可見和近紅外的光電流。

　　圖2. 純PbS和Sn²⁺敏化的PbS薄膜光電探測器的光電特性：（a）光響應度Rl與光功率密度的關系；（b）探測率D*與光功率密度的關系。

　　圖3. 在波長為1550 nm的紅外光照射下，探測器的光電特性：（a）響應速度；（b）Sn²⁺敏化的PbS薄膜探測器在不同頻率的脈沖光作用下的響應穩定性；（c）Sn²⁺敏化的PbS薄膜探測器的4 kHz高頻脈沖光下的歸一化電流-時間曲線。