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纺丝法制备氧化物纳米线阵列及其光探测性能研究

郑志 翟天佑

近年来,由于具有独特的电学及光学性能,一维无机纳米线如氧化锌(ZnO)、氧化镉(CdO)、二氧化锡(SnO2)、二氧化钛(TiO2)、硫化镉(CdS)、砷化铟(InAs)等半导体纳米材料广泛应用在光探测、场效应晶体管、纳米发动机、透明电极、柔性显示及气体传感器等领域。其中,具有宽光谱响应范围的无机纳米线光探测器在图像,夜间检测,环境成像,对象识别等领域受到了广泛关注。华中科技大学新材料与器件研究中心翟天佑课题组采用静电纺丝的方法,制备了混合ZnO-CdOZnO纳米线/PbS 量子点、TiO2纳米管/MAPbI3量子点异质结阵列,实现了宽光谱、高性能及柔性透明光探测器的研究,取得了一系列研究进展。

在研究工作中,该课题组首先将两种不同能带间隙目标产物(ZnO-CdO)的前驱体均匀混合,通过“分离电极”法实现纳米线的阵列化。氧化物纳米线具有优异稳定性,成本低廉等优点,同时,ZnOCdO能带间隙互补,分别涵盖紫外和可见光波谱范围,由此获得氧化物纳米线由ZnOCdO纳米颗粒组成,并且具备结合两者光谱响应范围的优势。此外,任意具有一定耐热性能(500℃)的绝缘材料都可以作为产物接收衬底,从而实现高性能、柔性、透明光电探测器的构筑,如图1所示。

1 a)静电纺丝示意图;(b)静电纺丝制备纳米线阵列示意图;(c-h)静电纺丝可控制备纳米线阵列示意图;(iZnO, CdO, ZnO-CdO光谱响应图谱;(jZnO, CdO, ZnO-CdO325 nm激光I-V响应图;(k)图中分别是ZnO, CdO, ZnO-CdO325 nm激光I-t响应图;(lZnO, CdO, ZnO-CdO325 nm激光I-t响应图比较;(m)透明ZnO-CdO器件光学照片示意图;(nZnO-CdO透明及柔性应用

为了进一步拓展ZnO纳米线阵列的光探测范围,在静电纺丝制备的ZnO纳米线阵列表面上旋涂一层量子点后,直接在上面滴1 mmol/L乙二硫醇/乙腈溶液与油酸链进行交换,静置3 min后再用乙腈溶液清洗,成功制备了高质量的ZnO纳米线阵列与PbS量子点异质结。该异质结实现了柔性的紫外到近红外的全光探测性能。此外, PbS量子点与纳米线形成异质结后,使ZnO纳米线的载流子传输机制从表面传导及体内传导均衡变成以体内传导为主,提高了ZnO纳米线紫外光探测响应及衰减速度。同时,该方法具备一定的普适性,可以扩展到其它纳米线及量子点异质结的构筑。

2 a-d)静电纺丝法制备ZnO纳米线/PbS量子点异质结纳米线阵列;(eZnO纳米线/PbS量子点异质结光学照片图;(fZnO纳米线/PbS量子点异质结高分辨照片图;(gZnO纳米线/PbS量子点异质结对紫外-可见-近红外区域光的I-V响应曲线;(hZnO纳米线/PbS 量子点异质结I-t响应曲线;(i-kZnO纳米线/PbS量子点异质结器件在200次弯曲情况下在紫外-可见-近红外区域内的性能对比

为了证明该种“分离电极”方法电纺无机氧化物纳米线阵列的普适性,在不同的衬底上(聚酰亚胺,云母)共电纺水平的TiO2纳米管阵列,通过旋涂的方法将MAPbI3量子点复合到TiO2纳米管表面,将TiO2纳米管的光谱光探测范围扩展到了可见光区域。由于纳米管比纳米线具有更大的比表面积,纳米管阵列比纳米线阵列光探测器具有更高的响应度及探测率。

翟天佑课题组的工作为氧化物纳米线阵列的研究开辟新的思路和方向,为其光探测的研究提供依据,同时对推动静电纺丝法的发展与应用具有重要的意义。

3 a-d)静电纺丝法制备 TiO2纳米管/MAPbI3 量子点异质结阵列;(eTiO2纳米管/MAPbI3量子点异质结示意图;(fTiO2纳米管/MAPbI3量子点电荷转移示意图

参考文献

[1] Zhi Zheng, Jianbing Zhang, Fuwei Zhuge, Lin Gan, Tianyou Zhai. Decorating Perovskite Quantum Dots in Flexible and Transparent TiO2 Nanotube Array for Broadband Response Photodetector. Advanced Functional Materials, 2017, Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1703115.

[2] Zhi Zheng, Lin Gan, Jianbing Zhang, Fuwei Zhuge, Tianyou Zhai. An Enhanced UV-Vis-NIR and Flexible Photodetector Based on Electrospun ZnO Nanowire Arrays/PbS Quantum Dots Film Heterostructure. Advanced Science, 2017, 4, 3, 1600316.

[3] Zhi Zheng, Lin Gan, Tianyou Zhai. Electrospun Nanowire Arrays for Electronics and Optoelectronics. Science China Materials, 2016, 59, 3, 200-216.

[4] Zhi Zheng, Lin Gan, Huiqiao Li, Ying Ma, Yoshio Bando, Dmitri Golberg, Tianyou Zhai. A Fully Transparent and Flexible Ultraviolet-Visible Photodetector Based on Controlled Electrospun ZnO-CdO Heterojunction Nanofiber Arrays. Advanced Functional Materials, 2015, 25, 37, 5885-5894.

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