Ультрабыстрый высокочувствительный самопитание UV-детектор на массивах наномейсов SnO₂-TiO₂

Аннотация

Аннотация

Самопитание ультрафиолетовые фотодетекторы (UVPD) на базе фотоэлектрохимических (PEC) ячеек стали фокусом исследований благодаря низкой стоимости, простой фабрикации и быстрому отклику. В этой работе представлены массивы наномейсов SnO₂-TiO₂, состоящие из стволов SnO₂ нанотрубок, украшенных TiO₂ нановетвями, синтезированных мягкохимическим подходом. При использовании в качестве фотоанода в водяной PEC-ячейке полученный детектор превосходит устройства на основе голых SnO₂ массивов. Синергия ускоренного разделения электроны-дырки, увеличенной площади поверхности и сниженной рекомбинации зарядов, присущая SnO₂-TiO₂ ядро-оболочка архитектуре, дает чувствительность 0,145 А/Вт при 365 нм, время нарастания 0,037 с, время спада 0,015 с и выдающуюся спектральную селективность. Эта экологически чистая, самопитание фотодетектор — убедительный кандидат для высокочувствительных, высокоскоростных UV-сенсорных применений.

Введение

Ультрафиолетовые фотодетекторы широко применяются в областях от дистанционного управления и химического анализа до очистки воды, детектирования пламени, мониторинга ракетных следов и защищенной космической связи [1]. Для устранения дорогих UV-фильтров и достижения слепоты к видимому свету широко используются широкополосные полупроводники — особенно наноструктурированные варианты, такие как наностержни, нанопровода, нанотрубки и нановетви — благодаря их высоким отношениям площадь/объем и настраиваемой морфологии [2–13]. Фотоэлектрохимические (PEC) фотодетекторы из этих наноструктур демонстрируют высокую чувствительность и быстрый переходный отклик по сравнению с обычными фотопроводниковыми тонкопленочными устройствами. Более того, PEC-архитектуры обходят необходимость в сложном эпитаксиальном росте и дорогих одно кристаллических подложках, отвечая спрос на доступные оптоэлектронные решения. Следовательно, самопитание UVPD на базе PEC-дизайнов привлекли интенсивное внимание.

Ранние самопитание UVPD использовали.redox пару I⁻/I₃⁻ в жидком электролите [14–18] и часто сочетались с TiO₂ нанокристаллическими пленками или многослойными TiO₂ наностержневыми массивами [15, 21]. Хотя сообщались впечатляющие метрики производительности, электролит I⁻/I₃⁻ коррозионен, летучен и фотореактивен, ограничивая долгосрочную стабильность. Водяные электролиты предлагают более безопасную, стабильную и экологически дружественную альтернативу. Например, ZnO/CuO гетероструктуры в водном растворе Na₂SO₄ демонстрировали сильную UV-видимую фотодетекцию [19], а TiO₂ пленки на границе с водой достигали высокой фоточувствительности и быстрого отклика [20]. Тем не менее, водяные UVPD обычно показывают более низкую чувствительность, чем аналоги на I⁻/I₃⁻, в основном из-за скромной подвижности электронов TiO₂ и вероятности электроны-дырки рекомбинации в электролите. Напротив, SnO₂ обладает высокой подвижностью электронов, обеспечивая быстрый электронный транспорт к прозрачному проводящему оксиду (TCO) коллектору. Недавние достижения дали высококачественные TiO₂/SnO₂ гетероструктуры наноструктур для оптоэлектронных приложений [17, 22], достигая замечательной производительности в UVPD, использующих TiO₂/SnO₂ ветвистые гетероструктуры и SnO₂ мезопористые сферы @ TiO₂ электроды [16, 17]. Однако эти устройства обычно полагаются на неупорядоченные наноструктуры. Упорядоченные массивы SnO₂-TiO₂ наномейсов с эффективными путями электронного транспорта ожидают дальнейшего повышения фото детекционной производительности.

В этом исследовании синтезированы упорядоченные массивы SnO₂-TiO₂ наномейсов (STNMA) мягкохимическим путем и собран самопитание UVPD с этими массивами в качестве фотоанода и водой как электролитом. Рисунок 1 иллюстрирует схему STNMA/H₂O UVPD. Вертикально ориентированные STNMA на фторе-содержащем оловяном оксиде (FTO) стекле служили активным электродом. По сравнению с устройствами на голых SnO₂ нанотрубках, детектор на базе STNMA выдавал более высокую плотность фототока при UV облучении. Оценивали спектральную фоточувствительность, время отклика и изучали влияние времени роста TiO₂ ветвей на характеристики устройства. Оптимизированные STNMA дали чувствительность 0,145 А/Вт, время нарастания 0,037 с, время спада 0,015 с и отличную спектральную селективность — все при использовании дешевого, стабильного и экологичного водяного электролита.

Методы

Синтез массивов SnO₂ нанотрубок

FTO стекло (2 см×2 см) ультразвуково очищали в этаноле и дионизированной воде по 15 мин каждое, затем сушили на воздухе. 10-нм Sn пленка осаждалась термическим испарением и отжигалась в воздухе при 550 °C за 1 ч для формирования плотного SnO₂ слоя. Высококачественные массивы ZnO наностержней фабриковали на SnO₂-буферизованном FTO двухступенчатым гидротермальным методом, как описано ранее [23]. SnO₂ оболочечные слои выращивали на ZnO наностержнях методом жидкофазного осаждения: образец FTO/ZnO погружали в 0,2 M водный раствор Na₂SnO₃ при 60 °C на 1 ч, затем травляли в 0,01 M HCl для удаления ZnO шаблона, получая равномерные массивы SnO₂ нанотрубок (SNA).

Синтез массивов SnO₂-TiO₂ наномейсов

TiO₂ нановетви выращивали на стволах SnO₂ нанотрубок простым водным химическим методом. Массивы SnO₂ нанотрубок на FTO погружали в 0,2 M раствор TiCl₄ при комнатной температуре на 6, 12, 18 или 24 ч для достижения разной длины ветвей. Полученные STNMA промывали дионизированной водой и отжигали при 450 °C за 30 мин.

Сборка UV-детектора

PEC-тип фотодетектор собирали аналогично красительно-сенсибилизированной солнечной ячейке [24]. STNMA на FTO функционировали как активный электрод, в то время как 20-нм Pt пленка, распыленная на FTO, служила контрэлектродом. Два электрода лицом к лицу соединяли 60-мкм герметизирующим слоем (SX-1170-60, Solaronix SA). Дионизированная вода вводилась в межэлектродный зазор, определяя эффективную площадь детектора ~0,2 см².

Характеристика

Кристаллические структуры изучали рентгеновской дифракцией (XRD; XD-3, PG Instruments Ltd.) с Cu Kα излучением (λ = 0,154 нм). Поверхностные морфологии характеризировали полевой-эмиссионной сканирующей электронной микроскопией (FESEM; Hitachi S-4800) и передаточной электронной микроскопией (TEM; F-20, FEI). Оптическая пропускная способность измеряли UV-видимым двухлучевым спектрофотометром (TU-1900, PG Instruments). Спектральный отклик записывали с помощью 500-Вт ксеноновой лампы (7ILX500) с монохроматором (7ISW30). Измерения чувствительности использовали программируемый измеритель источника (2400, Keithley). Фотоответ переключения мониторили на электрохимической рабочей станции (RST5200, Zhengzhou Shirusi).

Результаты и обсуждение

FESEM визуализация выявила равномерно выращенные, вертикально ориентированные SNA с диаметрами 50–80 нм и толщиной стенок <10 нм, дающими плотность ~30 нанотрубок/мкм². При погружении в TiCl₄ стволы SnO₂ украшались TiO₂ нановетвями, формируя наномез морфологию. Плотность и длина ветвей росли со временем роста, достигая оптимальной конфигурации при 18 ч. После 24 ч ветви становились непрерывными, уменьшая TiO₂/электролит интерфейс и снижая производительность.

XRD паттерны (Рис. 2f) подтвердили наличие рутилитных SnO₂ и TiO₂ фаз без второстепенных примесей. Оптическая пропускная способность (Рис. 3a) показала резкий поглощающий край около 320 нм для FTO, со сдвинутыми краями для 12–24 ч STNMA, указывая на усиленное TiO₂ поглощение. Пропускание ниже 305 нм падало до нуля, определяя UV отклика предел. TiO₂ ветви увеличивали рассеяние света, снижая пропускание в диапазоне 400–550 нм.

Спектры чувствительности (Рис. 3b) демонстрировали пик 0,145 А/Вт при 365 нм для 18-ч STNMA, соответствующий IPCE 49,2%. Это значение превосходит водяные PEC детекторы в литературе [20, 23, 24]. Высокий IPCE обусловлен увеличенной TiO₂ площадью, эффективным фотонным сбором, быстрым дырочным транспортом к TiO₂/воде интерфейсу и быстрым электронным сбором через высокоподвижный SnO₂. Устройства с 24-ч ветвями показывали сниженную чувствительность из-за взаимосвязанной сети, ограничивающей TiO₂/электролит контакт.

Временнно-разрешенные измерения фототока (Рис. 4) под 365 нм облучением (129 мкВт/см²) демонстрировали стабильное ВКЛ/ВЫКЛ переключение за пять циклов. Время нарастания и спада — 0,037 с (90% стационарного состояния) и 0,015 с (1/e затухание) — были заметно быстрее многих отчитываемых самопитание UVPD, подчеркивая быструю зарядово-передаточную динамику, обеспечиваемую ядро-оболочка архитектурой.

Энергетическое выравнивание зон (Рис. 5) объясняет работу устройства: фотовозбужденные электроны в TiO₂ направляются в SnO₂, где их высокая подвижность облегчает транспорт к FTO коллектору. Дырки мигрируют к TiO₂ поверхности, реагируя с OH⁻ в воде на формирование OH· радикалов, в то время как Pt контрэлектрод катализирует восстановление окисленных видов, замыкая цепь и позволяя самопитание операцию.

Заключение

Успешно сфабрикованы массивы SnO₂-TiO₂ наномейсов мягкохимическим путем и интегрированы в самопитание UV детектор с водой как электролитом. Ядро-оболочка дизайн ускоряет разделение электроны-дырки, расширяет TiO₂ площадь и использует высокую подвижность электронов SnO₂, достигая IPCE 49,2% при 365 нм — более чем в десять раз выше, чем у голых SnO₂ нанотрубочных устройств. Детектор также обладает быстрым временем нарастания (0,037 с) и отличной спектральной селективностью. Эти атрибуты позиционируют STNMA-базированный фотодетектор как перспективную платформу для высокопроизводительных, экологически дружественных UV сенсингов, а базовая архитектура может быть расширена на другие фотоэлектрохимические технологии, такие как красительно-сенсибилизированные солнечные ячейки и фотоэлектрохимическое производство водорода.

Аббревиатуры

FTO

Фтор-содержащий оловяной оксид

IPCE

Коэффициент фотон-то-ток конверсии

PEC

Фотоэлектрохимическая ячейка

SEM

Расканирующая электронная микроскопия

SNA

Массивы SnO₂ нанотрубок

STNMA

Массивы SnO₂-TiO₂ наномейсов

TEM

Проходная электронная микроскопия

UV

Ультрафиолет

UVPD

Ультрафиолетовый фото детектор

XRD

Рентгеновская дифракция