利用石墨烯量子点改进的硅纳米线宽带光电探测器

发表在杂志上的最新研究ACS应用纳米材料重点研究了一种基于硅纳米线(SiNW)的宽带光电探测器的制造，该探测器利用SiNW核-壳结构和水热加工的氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)。

研究:用于光电探测器的氮掺杂石墨烯量子点硅纳米线阵列。图片来源:Tayfun Ruzgar/Shutterstock.com

根据这项研究，硅是一种天然的、多用途的、无害的半导体矿物，其能量带隙与太阳光谱相对应。

材料特性

一维SiNWs由于其表面体积比大、光阱效应强、电荷传输快、电荷收集效率高而受到越来越多的关注。

工业利用率

蚀刻后，SiNWs表现出了改进的材料特性，如光吸收和发射、表面内场放大、电子-空穴耦合、量子约束等。因此，光电探测器、光伏高灵敏度传感器、场效应晶体管、热电器件、超级电容器和其他器件将从增加的使用中受益。反应离子刻蚀法可用于制备单晶SiNWs。

实验方法

在一个密封的玻璃瓶中，葡萄糖和氨水溶液混合形成N-GQDs。将装有0.325 M葡萄糖(5ml去离子水290 mg)和0.528 M氨水(5ml去离子水45 mg)的密封玻璃容器放入机柜中。对于不同的反应周期，将溶液组合置于容器中，在标准温度和环境压力下，无光照射(0,1和3个月)。采用分子量阈值对3个月反应期间生成的N-GQDs进行透析。

基于p-SiNW和氮掺杂石墨烯量子点(NGQDs)的光探测器。MACE方法用于在商业化的硅晶片上垂直堆叠SiNW阵列[p型，(100)定向，10-15 Ω-cm, 1 * 1厘米²大小)。

通过在1 × 1 cm2 SiNW模板上旋转涂覆100 μL N-GQDs, 3000转/分，30秒，在SiNW阵列上获得N-GQDs层。

形态学的结果

新w阵列的平均长度为5 μm，直径为20 ~ 200 nm。Si表面不均匀的Au涂层，以及生长过程中极各向异性的蚀刻，导致了巨大的直径弥散。

N-GQD的XRD谱图显示，在2θ = 22.5°处有一个宽峰。根据Debye-Sherrer公式计算出相应的粒径为~ 4.24 nm。

研究了高分辨率XPS N 1s光谱，进一步研究了NGQDs中N的结构。在398.52 eV处的N 1s峰可能分别对应于~ 398.5 eV、~ 400.2 eV和~ 401.5 eV处的3个不同的峰，分别对应于吡啶N (398.5 eV)、吡咯N (400.2 eV)和石墨N (401.5 eV)。

光学分析

N-GQDs的吸收光谱范围为250 ~ 600 nm。由于π−π*电子的跃迁，在~ 277 nm处出现了明显的主要吸收峰。在300 nm波长后观察到宽吸收带，在350 nm处有明显的峰，在425 nm处有一个带隙过渡吸收峰，并有一个长尾延伸到可见光区。

视频来源:Right Vision/Youtube.com

对于所有四个不同的模板，在250 ~ 500 nm范围内都有一个宽的吸收峰，吸收尾延伸到900 nm。

光电的结果

在室温下，所有静脉参数均用吉时利4200测量。光照射采用功率为100 mW/cm2的太阳模拟器。观察到较高的发光强度峰值。发光强度显著提高，在655 nm处出现峰值，表明SiNW阵列存在较大孔隙度。

IV曲线的不对称性表明，在SiNWs基体和N-GQDs之间建立了异质结。与控制SiNW器件相比，所有镀N-GQDs的晶体管在可见光下的光电流都有明显的下降和增加。

与控制的SiNW半导体相比，所有N-GQDs涂层的器件在可见光下显示出相当大的暗电流下降和光电流增加。

在n - g量子点和SiNWs之间形成的带结构可以解释当施加反向栅极电压时，光响应特性的巨大改善。

简而言之，利用水热和MACE技术分别合成了氮掺杂GQD (N-GQD)和p-SiNW，利用标准低成本溶液生成了新的N-GDQ/SiNW核-壳异质结构。

在氢氧化钾刻蚀过程中，通过扩展有用的连接区域，异质结构的光学和光电性能得到了极大的提高。除了光电探测器的应用，异质结构还可以用于能够捕获整个阳光光谱的太阳能电池。

参考文献

Mondal, H.， Dey, T.， & Basori, R.(2021)。用于光电探测器的氮掺杂石墨烯量子点硅纳米线阵列。ACS应用纳米材料亚博网站下载．https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsanm.1c0250

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