一种通过电化学沉积制备具有双极性Se/lnSe异质结光电化学光电探测器的方法

一种通过电化学沉积制备具有双极性se/lnse异质结光电化学光电探测器的方法
技术领域
1.本发明属于光电子半导体器件领域，具体涉及一种通过电化学沉积制备se/lnse光电化学光电探测器的方法。


背景技术：

2.光电探测器(pd)是一种能够将光信号转化为电信号的半导体器件，已广泛应用于光通信、成像和环境监测等各个领域。随着相关应用的发展，人们对光波中多维度的信息检测提出了更高的需求，除了对光的强度信息检测外，实现对光波长信息的鉴别可以进一步丰富探测器的功能和应用范围。为了实现这一结果，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的ouyang等人使用相对复杂的多步合成法构建了基于zno/sb2se3薄膜异质结的新型双极性响应自供电pd，在690nm和760nm光实现了光电流极性反转。此法对材料有较高的要求、制作成本较高，这些缺点可能会限制其大规模的应用。因此，开发新型的具有制备工艺简单、合成成本低、光电性能优异、应用层面广泛等特点的光电材料对pd的进一步发展和实际应用具有极为重大的意义。


技术实现要素：

3.本发明有效提升光电探测器性能，同时解决光电探测器应用于水下光通讯抗拦截能力差的问题；提供了一种通过电化学沉积制备具有双极性se/lnse异质结光电化学光电探测器的方法。
4.本发明通过简单的一步电化学沉积的方法制备得到了se-lnse pec pd。se/inse pec pd在不同波长光照射时能发生光电流极性反转，同时具有良好的自供电性能和宽光谱双极响应。将其应用于双通道加密光通信系统，仅用一个器件就能解码宽带双信道信号，具有很强的防破译安全性质。
5.本发明光电化学光电探测器(pec pd)的工作原理不仅遵循传统固态光电探测器中发生的典型载流子生成、分离和迁移过程，还涉及一个独特的电化学过程，包括离子扩散过程和半导体/水电解质界面的氧化还原反应；通过调整物理/化学过程，相对简单地实现在pec pd中实现波长诱导光电流极性的切换。
6.本发明方法合成得到的se-lnse异质结尺寸大、均匀度好、表面清洁，适用于制作大面积、集成化电子和光电器件。
7.本发明的se-inse异质结的构建在提高探测器性能的同时，可以实现波长诱导下的光电流极性转换，为构建多功能光电器件提供了新的方向。
8.本发明的一种通过一步电化学沉积制备se-lnse pec pd的方法按照以下步骤进行：
9.步骤一、将硝酸铟和亚硒酸盐加入溶剂，用酸调节ph到酸性；
10.步骤二、然后电化学沉积在导电玻璃表面；
11.步骤三、然后在惰性气氛下低温退火处理，得到se-lnse pec pd。
12.进一步限定，步骤一中所述溶剂为去离子水。
13.进一步限定，步骤一中所述块状硝酸铟固体为硝酸铟水合物(in(no3)3·
xh2o)。
14.进一步限定，步骤一中所述块亚硒酸盐为na2seo3。
15.进一步限定，步骤一中所述配置的硝酸铟溶液的浓度为0.001mol/l～0.02mol/l。
16.进一步限定，步骤一中，硝酸铟和亚硒酸钠的摩尔比为1：1。
17.进一步限定，步骤一中调节ph用的酸为h2so4。
18.进一步限定，步骤一中ph调节值为1.5～3之间。
19.进一步限定，步骤二中量取30～100ml步骤一所得溶液。
20.进一步限定，步骤二中，在三电极系统的电解池中进行电化学沉积，使用导电玻璃作为工作电极，浸入电解质，依次使用线性扫描伏安法(lsv)、循环伏安法(cv)、恒定电位法(i-t)在一定温度下电沉积处理
21.进一步限定，步骤二中所述导电玻璃为fto或ito。
22.进一步限定，步骤二中所述三电极系统参比电极为铂电极、对电极为ag/agcl电极。
23.进一步限定，步骤二中所述线性扫描伏安法(lsv)起始电位为-1.3v～-1.5v，终止电位为1.4v～1.6v。
24.进一步限定，步骤二中所述循环伏安法(cv)第一顶点电位为-1.3v～-1.5v，第二顶点电位为1.4v～1.6v，循环圈数为1圈。
25.进一步限定，步骤二中所述恒定电位法(i-t)工作电位为-1.5v～-1.3v。
26.进一步限定，步骤二中所述恒定电位法电化学沉积温度为50℃～70℃。
27.进一步限定，步骤三中，低温退火处理在cvd炉中进行的，惰性气氛为氩气(ar)氛围
28.进一步限定，步骤三中所述低温退火温度为200℃，加热时间为60min～80min。
29.进一步限定，步骤三中所述氩气具体使用通量为20sccm～40sccm。
30.本发明采用电化学沉积的方法，在导电玻璃基底上制备了se-lnse pec pd。此方法具有良好的重复性，实验条件简单且操作方便，所制备pd具有双极光响应可以用于双通道加密光通信系统中，为构建多功能光电器件提供了一个新的方向。
31.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
32.本发明使用的电化学沉积法设备要求低，合成效率高，同时低温退火处理温度在200℃左右，相较于广泛使用的高温退火，成本较低，适用于大规模生产。
33.本发明方法得到的se-lnse异质结形貌均匀，具有良好的光电性能，对基于se-lnse异质结在电子器件和光电探测器的构建提供了良好的基础。
34.本发明展示了基于se/inse异质结的自供电、宽带和可分辨光谱的pec pd。光电流在紫外-可见光谱中为负，在近红外光照射下为正，光的响应度超过了大多数光谱可分辨光谱的pd。
35.本发明通过构建se-lnse异质结并将其应用于双通道加密光通信系统，具有强大的加密和高效传输能力。该研究为构建多功能光电器件提供了新的方向。
附图说明
36.图1为实施例1得到的se-lnse pec pd的xrd图谱；
37.图2为实施例1得到的se-lnse pec pd的xps图谱；
38.图3为实施例1得到的se-lnse pec pd的sem图像；
39.图4为实施例1得到的se-lnse pec pd的tem图像；
40.图5为实施例1得到的se-lnse pec pd的hrtem图像；
41.图6为实施例1得到的se-lnse pec pd双极性原理图；
42.图7为实施例1得到的se-lnse pec pd在1m h2so4中由不同波长的光照射的pec pd的i-t曲线；
43.图8为实施例1得到的se-lnse pec pd在1m h2so4中由不同波长的光照射的pec pd的光电流密度(j
ph
，j
ph
＝ji–
jd，其中ji和jd分别对应于有和无辐照的电流密度)；
44.图9为实施例1得到的se-lnse pec pd应用于双通道加密光通信系统设备的示意图；
45.图10为实施例1得到的se-lnse pec pd应用于双通道加密光通信系统的实施例演示。
具体实施方式
46.实施例1：本实施例的一种通过电化学沉积制备se-lnse pec pd的方法按以下步骤进行：
47.步骤一、以硝酸铟水合物(in(no3)3·
xh2o)、亚硒酸钠(na2seo3)为溶质，去离子水为溶剂，配制35ml的硝酸铟和亚硒酸钠混合溶液，并使用硫酸调节ph到1.5；配置的硝酸铟和亚硒酸钠混合溶液中硝酸铟溶液的浓度为0.01mol/l，硝酸铟和亚硒酸钠的摩尔比为1：1。
48.步骤二、在三电极系统的电解池中进行电化学沉积，其中fto(1
×
2cm2)、铂片(1
×
1cm2)和ag/agcl分别用作工作电极、对电极和参比电极；量取50ml步骤一制得的混合溶液作为电解液，通过将fto浸入电解质中来控制1
×
1cm2的沉积面积，首先使用线性扫描伏安法(lsv)起始电位为-1.4v，终止电位为1.5v；然后使用循环伏安法(cv)，第一顶点电位为-1.4v，第二顶点电位为1.5v，循环圈数为1圈；最后使用-1.4v恒定电位沉积(i-t)在60℃下进行电沉积，持续30min。
49.步骤三、将步骤二制得薄膜置于石英片上放置于cvd炉的石英管加热区；密封石英管，并以80sccm高纯氩气通入石英管中，持续30min；后对石英管热区进行200℃加热，持续60min；以20sccm通入氩气，直至石英管降低至室温。
50.对实施例1样品进行表征，图1中所有的峰分别对应于t-se(jcpds no.06-0362)和inse(jcpdss no.42-0919)的特征峰，图2的xps图谱结果与xrd相对应，表明成功合成了se-lnse异质结。其是由表面粗糙的微球组成的薄膜(参见图3)。微球由纳米颗粒组成，如tem图像所示(参见图4)，该异质结结构外层为se内层为lnse(参见图5)。
51.对实施例1样品进行光电性能测试，se-lnse pec pd双极性原理(参见图6)是由于在不同波段的光照下，p-se/n-inse/电解质界面上发生了的不同氧化还原反应，从而诱导光电流的切换。图7显示了se-lnse pec pd在630nm和850nm光照射下产生了光电流极性的
转化。图8为对应的j
ph
，证实se-lnse pec pd可以区分可见光与近红外光。
52.将实施例1样品用于双通道加密光通信系统，系统由双led光源，se-lnse pec pd，便携式电化学工作站，云储存和通讯设备组成(参见图9)。仅用一套器件就能解码宽光带双通道信号，并具有较强的防破译安全性质(参见图10)。
53.实施例2：本实施例的一种通过电化学沉积制备se-lnse pec pd的方法按以下步骤进行：
54.步骤一、以硝酸铟水合物(in(no3)3·
xh2o)、亚硒酸钠(na2seo3)为溶质，去离子水为溶剂，配制35ml的硝酸铟和亚硒酸钠混合溶液，并使用硫酸调节ph到2；配置的硝酸铟和亚硒酸钠混合溶液中硝酸铟溶液的浓度为0.01mol/l，硝酸铟和亚硒酸钠的摩尔比为1：1。
55.步骤二、在三电极系统的电解池中进行电化学沉积，其中fto(1
×
2cm2)、铂片(1
×
1cm2)和ag/agcl分别用作工作电极、对电极和参比电极；量取50ml步骤一制得的混合溶液作为电解液，通过将fto浸入电解质中来控制1
×
1cm2的沉积面积，首先使用线性扫描伏安法(lsv)起始电位为-1.3v，终止电位为1.5v；然后使用循环伏安法(cv)，第一顶点电位为-1.3v，第二顶点电位为1.5v，循环圈数为1圈；最后使用-1.3v恒定电位沉积(i-t)在60℃下进行电沉积，持续30min。
56.步骤三、将步骤二制得薄膜置于石英片上放置于cvd炉的石英管加热区；密封石英管，并以80sccm高纯氩气通入石英管中，持续30min；后对石英管热区进行200℃加热，持续60min；以20sccm通入氩气，直至石英管降低至室温。
57.以上所述实施例仅为优选实施实施例，若其他人员在本专利基础上进行若干优化和改进，此类优化和改进也应在视作本专利保护范围之内。

技术特征：
1.一种通过电化学沉积制备具有双极性se/lnse异质结光电化学光电探测器的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：步骤一、将硝酸铟和亚硒酸盐加入溶剂，用酸调节ph到酸性；步骤二、然后电化学沉积在导电玻璃表面；步骤三、然后在惰性气氛下低温退火处理，得到se-lnsepecpd。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中所述溶剂为去离子水，硝酸铟溶液浓度为0.001mol/l～0.02mol/l。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中硝酸铟和亚硒酸钠的摩尔比为1：1。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中调节ph用的酸为h2so4，步骤一中ph调节值控制在1.5～3范围内。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中所述导电玻璃为fto或ito。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中，在三电极系统的电解池中进行电化学沉积，使用导电玻璃作为工作电极，浸入电解质，依次使用线性扫描伏安法(lsv)、循环伏安法(cv)、恒定电位法(i-t)电沉积处理。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述三电极系统参比电极为铂电极、对电极为ag/agcl电极。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述线性扫描伏安法(lsv)起始电位为-1.3v～-1.5v，终止电位为1.4v～1.6v；所述循环伏安法(cv)第一顶点电位为-1.3v～-1.5v，第二顶点电位为1.4v～1.6v，循环圈数为1圈；所述恒定电位法(i-t)工作电位为-1.5v～-1.3v；恒定电位法电沉积处理温度为50℃～70℃。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中低温退火处理在cvd炉中进行的，惰性气氛为氩气(ar)氛围。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中所述低温退火温度为200℃，加热时间为60min～80min，所述氩气的通量为20sccm～40sccm。

技术总结
本发明公开了一种通过电化学沉积制备具有双极性Se/lnSe异质结光电化学光电探测器的方法；属于光电子半导体器件领域。本发明有效提升光电探测器性能，同时解决光电探测器应用于水下光通讯抗拦截能力差的问题。本发明的方法：步骤一、将硝酸铟和亚硒酸盐加入溶剂，用酸调节pH到酸性；步骤二、然后电化学沉积在导电玻璃表面；步骤三、然后在惰性气氛下低温退火处理，得到Se-lnSePECPD。本发明方法合成得到的Se-lnSe异质结尺寸大、均匀度好、表面清洁，适用于制作大面积、集成化电子和光电器件。集成化电子和光电器件。集成化电子和光电器件。


技术研发人员：冯伟 王云霞 周俊昕
受保护的技术使用者：东北林业大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/22