类黑磷碲纳米材料的制备及其光电探测性能研究

As we know, two-dimensional (2D) black phosphorus (BP) suffers from oxidative degradation in environment which greatly restricts its application in optoelectronic devices. The black phosphorus analogues (BPA) Tellurium (Te) nanosheets not only have a BP-like fold structure, high carrier mobility and tunable band gap, but its stability is higher than that of BP, which provides the possibility for developing new optoelectronic devices. Considering that heterojunction nanomaterials have better photoelectric conversion capability, this project aims to adopt a hydrothermal synthesis method to fabricate core-shell heterogeneous junctions based on Te nanosheets. The effects of experimental parameters on the structure and morphology of core-shell heterojunction materials are studied in detail. Different pH electrolytes, applied voltage, light wavelength and light intensity are used to observe the variation of photodetection performance of core-shell heterojunction-based photodetectors. On basis of theoretical calculation, it is expected to figure out the mechanism of photodetection ability of core-shell heterojunction-based photodetectors. The environmental stability and self-driven photodetection mechanism of core-shell heterojunction-based photodetectors are also supposed to be clarified through this project. The prospective results of this project not only solve the environmental stability problem of BP-based photoelectric devices, but also provide important scientific and research value for the development of novel BPA core-shell heterojunction-based photodetectors.

二维黑磷在环境中容易发生氧化降解问题极大地制约其在光电器件中的应用，而类黑磷碲纳米材料，不仅具有类似黑磷的褶皱结构、高载流子迁移率以及带隙可调控特性，其稳定性又高于黑磷，为新型光电器件的开发提供了可能。结合当下异质结纳米材料具有更加优良的光电转换能力这一特性，本项目拟采取水热合成制备方法，在大量制备二维碲纳米片材料基础上，进一步控制合成基于碲纳米片核壳异质结结构。研究不同实验参数对碲纳米片核壳异质结结构形貌影响；研究基于碲纳米片核壳异质结光电探测器的光电探测性能随不同pH值电解质，外加电压以及光波长和光强度等的变化规律，运用理论计算，阐明其光电探测机理；研究揭示碲纳米片核壳异质结光电探测器环境稳定性以及自驱动光电探测原理。此项目研究成果不仅解决黑磷光电器件环境稳定性问题，也为研究基于新型类黑磷碲纳米核壳异质结光电探测器的开发提供重要科学以及研究价值。

黑磷暴露在空气中易发生氧化降解的缺陷一直制约其在光电器件领域中的大规模使用，这使其很难实现大范围的实际应用。目前，类黑磷材料被广泛用来替代黑磷材料来制备高性能的光电子器件。类黑磷材料不仅具有类似黑磷的高载流子迁移率以及带隙可调控等特性，其环境稳定性又明显的优于黑磷材料，有利于实现高性能类黑磷光电子器件的实际应用。本项目选取类黑磷碲纳米材料，并在此材料基础上进一步采用水热合成制备方法合成了一系列基于碲纳米材料的核壳异质结材料。通过对异质结制备过程中实验参数的精准调控，获得了尺寸可控、均匀性好、高质量的碲纳米核壳异质结材料，这解决了碲纳米核壳异质结材料的高效制备问题。同时，对基于碲纳米异质结材料的光电探测器的光电探测性能进行了系统的研究，改变实验参数，系统研究了光电探测器光电探测能力随实验参数改变的变化规律。此外，设计合理理论模型，采取理论计算，将计算结果与实验结果相关联，系统阐明了光电探测器的工作原理和环境稳定性原理。本项目开展过程中所制备的多个基于类黑磷碲纳米异质结材料的光电探测器达到了宽波段响应（300 nm -1100 nm）、高响应度（>500 nA cm-2）快响应时间（< 0.1 s）以及高环境稳定性(酸性、中性、碱性环境)的要求，具有一定的实际应用前景。本项目为低成本、高响应度以及高稳定性的光电化学探测器的大规模应用提供了重要的前期材料研究基础，也为基于类黑磷材料光电化学探测器的深入研究提供了重要的实验依据和理论支撑。