基于p-CuSCN/GQDs异质结深紫外光电探测器的性能调控及其机理研究

High-performance DUV photodetectors is of great importance in ozone monitoring, missile warning, chemical analysis and so on. p-CuSCN with high hole mobility and chemical stability, is promising in deep UV (DUV) photodetector. However, the traditional methods to fabricate p-CuSCN usually need the toxic solution, and the separation efficiency of charge carriers is low. In this study, low-cost and clean solvent (water or alcohol) was used to fabricate p-CuSCN film by the solid-liquid interface reaction, combined with GQDs to construct heterojunction-based DUV photodetectors. By changing the bandgap of GQDs, the photodetection performance can be adjusted by the formation of Ⅰ- or II-typed heterojunction to improve the separation efficiency of charge carriers. The study on the growth mechanism for p-CuSCN film and the regulation on the bandgap and conductance for GQDs with different doping elements will provide more insight on the inherent relationship between the photodetector performance and the structure. The study will achieve high performance DUV photodetectors by the tunable heterojunction based on the adjustable property of doped GQDs, which will provide a new approach to construct high-efficiency photodetector devices in theory and practice.

深紫外光电探测器在臭氧监测，导弹预警及生物检测等诸多领域有着非常重要的意义。p-CuSCN，具有较高的空穴传输速率及化学稳定性，在深紫外探测领域有着极大的应用潜力。然而传统方法制备p-CuSCN需要有毒试剂，并且p-CuSCN中的光生载流子的分离效率较低。针对以上问题，本项目提出以无毒、价格低廉的水或醇为溶剂，采用固-液界面浸渍法制备p-CuSCN薄膜，与掺杂态GQDs构筑I型或II型异质结，实现界面内建电势差的调控，提高载流子体分离效率，优化p-CuSCN/GQDs器件的探测性能。深入探索p-CuSCN薄膜的生长机制、掺杂态GQDs带隙宽度及导电性能的变化规律及界面特性，进一步阐明材料微观结构与器件性能之间的内在构效关系，建立p-CuSCN/GQDs深紫外光电探测器的物理机制，为新型高效、稳定光电探测器的构筑及应用提供理论及实验依据。

深紫外光电探测器在臭氧监测，导弹预警及生物检测等诸多领域有着非常重要的意义。p-CuSCN，具有较高的空穴传输速率及化学稳定性，在深紫外探测领域有着极大的应用潜力。然而传统方法制备p-CuSCN需要有毒试剂，并且p-CuSCN中的光生载流子的分离效率较低。针对以上问题，本项目研究工作主要包括以下三个部分：(1) CuSCN薄膜的制备及光电性能研究：通过固-液界面反应法，以氧化亚铜薄膜作为前驱体薄膜，在甲醇、乙醇、水三种溶剂中生长CuSCN纳米薄膜，分别命名为CuSCN(CH4O)、CuSCN(C2H6O) 、CuSCN(H2O)。表征证明了铜箔上生长了均匀的CuSCN纳米薄膜。进一步系统的研究了三种器件的光学性能; （2）NGQDs/CuSCN复合薄膜的制备及光电性能研究：为了进一步提高CuSCN(CH4O)纳米薄膜的响应速度，选择氮掺杂石墨烯量子点（NGQDs）与CuSCN进行复合，制备了NGQDs/CuSCN纳米复合薄膜。表征证明了CuSCN(CH4O)纳米薄膜表面均匀分布着大量的球形NGQDs。光电性能测试结果表明，在3 V 的测试电压、360 nm的激发波长下 NGQDs/CuSCN纳米薄膜的光电流和暗电流分别为1.83*10-8A 、4.8*10-11A，光暗电流比为387倍。响应速度相对于CuSCN(CH4O)薄膜获得了巨大的提升，响应时间和恢复时间仅为0.01 ms和0.6 ms。（3）ZnS/CuSCN复合薄膜的制备及光电性能研究：为了同时提升纳米薄膜的光电流和响应速度，选择硫化锌（ZnS）进行复合并构建异质结。利用置换反应合成制备了ZnS粉末，随后通过旋涂法在CuSCN纳米薄膜表面进行负载。测试结果表明在3 V的电压、360 nm的激发波长下，ZnS/CuSCN纳米复合薄膜的光电流达到1.22*10-5 A，暗电流为4.8*10-11 A，光暗电流比提升到2172倍，响应时间和恢复时间都小于0.5 s。