选用LED激光器评价新型柔性光电探测器性能的研究

晁军峰，邢淑敏，任 刚

（1.淮南师范学院 电子工程学院，安徽 淮南 232038；2.淮南师范学院 数学与金融学院，安徽 淮南 232038）

光电器件是将光信号的变化转换为电信号的一种器件，它是构成光电子传感器的最主要部件。在光线照射下，半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低。基于该种光电导效应的光电子装置的研究已经吸引了众多研究者的兴趣，相应的紫外、可见和近红外探测方面的研究也得到快速发展，同时部分基于半导体纳米材料的光电导探测器或者光电开关已经进入实际的应用领域[1-3]。

硫化铋是A2B3型V-VI族化合物大家中的一员，其具有良好的光敏感性和高的温差电势率，并且由于其带隙(1.3 eV ～1.7 eV）覆盖了整个太阳光谱范围，因此往往作为有希望得到应用的下一代光电探测器的光电转换材料[4-6]。本文在借鉴前人研究成果的基础上成功制作了一种新型的基于Bi2S3材料的柔性可见光光电探测器，并利用LED激光器检验了其光电性能，发现该探测器具有较小的质量，优异的响应特性和对弱激光束的极强的敏感性。

1 实验材料的制备和光电探测器的制作

1.1 准备多孔针状硫化铋薄膜材料

实验中选用的所有试剂都是分析纯级别的，没有经过进一步的提纯。首先取1 mM的硝酸铋和3 mM的硫脲，加入装有45 mL的去离子水的烧杯中充分搅拌，使之完全溶解，把该溶液导入由聚四氟乙烯为原料制成的高压釜内胆中，然后加入清洗干净的导电玻璃（FTO）若干片，封住开口，装入铁压力外壳中，逐步升温到180℃并保持该温度36 h。待反应完成后，自然降温至室温，把长有棕灰色沉淀的FTO片用无水乙醇和去离子水反复洗涤多次，然后在真空干燥箱中80℃干燥30 min，收集备用。

1.2 选用材料的表征和测试设备

材料的形貌特征选用扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行表征，晶体结构特征测试选用X射线衍射仪，吸收光谱的测试选用紫外可见分光光度计（UV-3150），光电特性的测试选用自助光电测试系统（AUT84315），多波长可见光激光束来源于LED激光器。

1.3 柔性光电探测器的制作

柔性光电探测器的制作步骤为：首先用去离子水和无水乙醇将柔性基底聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）清洗多次，然后将PET加入装有酒精的烧杯中，超声处理100 min，取出干燥，用导电笔在一个表面上平行画出导电银丝，干燥处理。将一定量的FTO上的硫化铋材料刮下来倒入石英研钵中，加入少量的乙基纤维素和松油醇，然后加入无水乙醇研磨使之混合均匀并制成糊状，将该糊状材料均匀涂覆在按照恒定距离均匀排列的银丝中间，放入真空干燥箱中保持80℃温度干燥1 h，使样品能够牢固粘贴在PET上。

2 实验结果和性能分析

2.1 Bi2S3材料的物相分析

图1是实验制备的材料通过X射线衍射仪测得的结构谱图，通过对比标准谱可以发现该曲线的特征峰与晶格标准卡Bi2S3(JCPDS No.17-0320)完全对应，同时可以得到该种材料的晶格常数为a = 1.114 9 nm, b = 1.130 4 nm，c = 0.398 1 nm，没有发现其他杂质峰，显示极高的纯度，确定该种棕灰色材料为硫化铋。

图1 FTO片上材料的X射线衍射谱

在常温下测量了该材料的吸收光谱，测量结果如图2a所示。从曲线上可以看出，硫化铋材料吸收谱线包含了整个可见光和近红外波段,是制作可见光光电探测器的理想材料。根据公式(αhν)2=A(hν-Eg)，可以判断出该材料为直接带隙，利用Kubelka-Munk方程式作(αhν)2-hν曲线如图2b所示，可以确定其带隙宽度为1.23 eV，这些数值和文献[7]中的相关报道相符。这样就更进一步验证了该实验体系可以方便的制备理想的可见光光电探测器吸收层的硫化铋材料。

图2 半导体硫化铋多孔针状材料的（a）吸收谱图，（b）带隙谱图

2.2 Bi2S3材料的形貌及微观结构

采用JSM-6701F型扫描电子显微镜探究材料的微观形貌如图3所示。图3a为FTO片切面上显示的硫化铋材料的扫描电镜图片，从图上可以看出，在FTO上生长了一层厚度大约为200 μm-300 μm的样品，样品紧贴导电玻璃表面，生长均匀。从FTO片正面（图3b）观察可以看到材料由小型的棒状形貌组成，形态基本均匀，棒状表面有针状凸起。从高倍透射显微镜图片（图3c）可以看出，棒状结构由多孔针状结构组成，针的长度大约为500 nm-1 000 nm，针状结构相互交叉形成多孔结构。图3d为FTO片上薄膜层部分拍摄的的高倍透射电镜图像，可见其中有0.39 nm的晶格，对应于Bi2S3材料的（220）晶面，内嵌的选区电子衍射图显示晶格原子呈圆环型排列，该样品具有极高的结晶度，材料为多晶结构。

图3 扫描电子显微镜观察材料的微观形貌

2.3 柔性光电探测器的性能测试

为了满足将来产品的应用需求，我们对制作出的柔性光电探测器进行了弯折测试，图4为不同弯折角度下的柔性光电探测器图片，发现其具有极好的柔性，而且在弯折状态下的性能也保持的很好。同时，由于光电探测器制作好后进行了热处理，所以样品粘贴得比较牢固，虽然经过多达上百次的反复弯折仍然可以保持原貌，样品和银电极均可以保持牢固的粘贴，这为将来的实际应用打下了良好的基础。

图4 柔性光电探测器实物

对该种新型柔性光电探测器性质方面的测试主要包括两个方面。从测量得到的电流-电压曲线图5a上可以看出，这种柔性可见光光电探测器的测量电压选择范围为（-10～10）v，测量用光源选用可见光450 nm激光束和650 nm激光束，光照强度同意调整为0.12 mW/cm2。从图上可以看出电流随电压变化为线性，显示良好的欧姆接触，说明柔性基底上的焊接可以满足实际的需求。在10 v时，当外界环境从暗态变化到光照状态时电流强度从2.03 μA分别增加到到5.21 μA和6.18 μA，分别对应于450 nm和650 nm入射激光束。通过图5b可以看出，在10 v的偏压下，随着光源的打开和关闭两种状态的不断转化，电流强度随之发生变化，可以看出其开关特性和图5a可以很好地对应，从暗态变化到光照状态时电流强度随时快速增加，开关比分别为2.57和3.04，显示出良好的开关特性。

图5 基于硫化铋的柔性光电探测器的（a）电流-电压曲线和（b）电流-时间曲线

3 结论

随着高科技的快速发展，越来越多的检测器件需要适应特殊的环境，因此柔性器件具有更多更宽泛的应用领域，其研究也逐渐受到广大科研工作者的重视。我们利用水热路线制备成功了硫化铋半导体材料，并将其制作成柔性光电探测器，这种新型的光电探测器具有较小的质量、可以弯曲一定角度和弯曲后仍然具有高度的稳定性。这种新型光电探测器的研究成功，将对相应领域光电器件的更进一步发展和应用产生积极的指导意义。