无机类石墨烯晶体的制备及其在柔性光探测器中的应用研究

Aimed at the key tissues existing in synthesis，poor performance, the complicated of fabricated procedure and the higher cost, based on the intrinsic structure of inorganic graphene analogues and their higher surface-to-volume(SVRS), this project will set about on layered transition metal dichalcogenides, metal oxides and A2IIIB3VI families, adopting a seris methods to exfoliate into 2D ultrathin nanosheets(the ions, small molecules and organic molecules are inserted between the layes), which are designed into photodetectors by transferring the nanosheets on the flexible substrates. The light response ability of the nanosheets and its bulk counterparts are both systematically studied. The relationship between the structure characteristics of graphene analogues (the characteristics of local atomic, special surface, etc.) and the parameters of response performance (spectral responsivity, external quantum efficiency and response speed, etc.) is analyzed. This project will confirm the reason which cause the separation of photogenerated electron-hole pairs, elucidate the response mechanism of the inorganic graphene analogues, innovate and improve the application of flexible photodetector, expecting prepared high performance, portable, low-cost flexible photodetectors.

针对目前用于光探测器半导体材料的合成困难、光响应性能不理想、器件加工繁琐、生产成本较高等问题，本项目基于无机类石墨烯较大的表面积-体积比、特殊的表面结构、透明性、柔韧性、超薄性、易制备、易加工等特点，在综合调研一维光探测器研究进展的基础上，拟开展以金属硫属化合物类、过渡金属氧化物、A2IIIB3VI族化合物为前驱体，通过系列手段调控(将离子、小分子或有机物分子插入层间)，剥离制备类石墨烯超薄纳米片，然后把超薄纳米片作为结构基元, 在柔性基底上组装成膜，制备成柔性光探测器，系统研究器件对光的响应性能，分析类石墨烯的结构特点(原子局域结构情况、特殊的表面结构等)与光响应性能参数(光谱响应度、外量子效率、响应速度等)之间的关系，确定光生电子—空穴对分离原因，阐明无机类石墨烯对光响应的机理，拓新和完善柔性光探测器领域的基础应用研究，期望制备出性能优异、便携、成本低廉的柔性光探测器。

光探测器是一种能够将入射光或者其它电磁辐射能量转换成电信号的传感器。作为最重要的一种半导体器件，光探测器在环境、生物和医药领域、远程控制、双开关成像、光波通信、存储装置、光电子电路和导弹发射等领域有着广范的应用。本项目基于无机类石墨烯较大的表面积-体积比、特殊的表面结构、透明性、柔韧性、超薄性、易制备、易加工等特点，开展了以金属硫属化合物类、过渡金属氧化物等为前驱体，通过插层剥离制备类石墨烯超薄纳米片，然后把超薄纳米片作为结构基元, 在柔性基底上组装成膜，制备成柔性光探测器，系统研究器件对光的响应性能，确定光生电子—空穴对分离原因，阐明无机类石墨烯对光响应的机理，拓新和完善柔性光探测器领域的基础应用研究，制备出性能优异、便携、成本低廉的柔性光探测器。依托本项目的实施，已经公开发表论文两篇，还有3篇待发表。培养硕士研究生2名，本科毕业论文9篇。.1. 通过低成本、液相加工、自组装策略在柔性基底上制备了首个基于有机铅卤化物钙钛矿/二氧化锡薄膜的有机铅卤化物钙钛矿光检测器。在光响应性能测试研究中，光探测器的光响应范围从634nm到388nm，远超过目前的光探测器的探测范围。在单色光388nm光强为1.1 mW cm-2的辐照下，自制器件的暗电流0.05×10-9A，然而光电流达到13×10-9A，光电流是暗电流的254倍，响应时间＜0.2s。该探测器灵敏度高，响应速度快，稳定性好。由此可见，有机铅卤化物钙钛矿基光探测器是在开发宽光谱光探测应用领域的最具潜力的候选材料，并可能进一步地扩宽光电器件的应用范围。.2. SnS2纳米盘光探测器在波长为388 nm强度为1.1mW cm-2的单色光照射时产生的光电流达到102 nA，而在暗态电流只有2.4 pA，即使在较微弱的光强0.05mW cm-2条件下，SnS2纳米盘光探测器依旧能灵敏的做出响应，光探测器器件在388 nm的光照下的上升时间小于1 s，恢复时间小于3.5 s。器件在经历不同弯曲状态后再回复到原始状态后测试得到的光电流与没有弯曲时所得的光电流几乎没有变化，说明器件具有好的柔韧性。