近期，中科院合肥研究院固体所科研人员在可见-近红外光电探测研究方面取得进展，获得了高性能的可见-近红外锡离子Sn²⁺敏化的PbS薄膜光电探测器。相关结果以“High-performance visible-near IR photodetectors based on high-quality Sn²⁺-sensitized PbS films”为题发表在Journal of Alloys and Compounds上。

　   光电探测在环境监测、光通讯、生物医学成像和军事预警等领域具有广泛的应用前景。PbS是一种直接带隙半导体，在可见光到红外光范围内具有较高的光吸收系数，非常适合作为可见-红外光的探测材料，但是PbS中通常存在大量的缺陷，导致其光电性能较差。

       前期，为提高光电响应度，研究团队将金纳米棒修饰到PbS的表面，借助金纳米棒的等离共振增强效应将PbS的光响应度提升了125%-175%。通过改变金纳米棒的高度，调整金纳米棒的等离共振峰，进而将光响应的最佳位置从可见光范围调整到近红外光范围 (J. Mater. Chem. C, 6,7, 1767-1773(2018))。

　　目前，提高PbS光电特性的途径主要是在PbS中增加敏化中心：第一，在氧气环境中进行高温快速热处理，使PbS的带隙中引入敏化中心和附加态能级，从而提高载流子寿命，但该方法重复性较差；第二，利用高能激光器对PbS薄膜进行增敏，由于受到激光光斑大小的影响，导致薄膜增敏不均匀，而且高能激光可能会破坏薄膜结构，因此难以规模化生产；第三，在化学沉淀PbS过程中进行化学敏化，通过在反应溶液中加入强氧化剂（过氧化氢、过氧化钠、水合肼等）来引入敏化中心，虽然提高了敏化效率，但强氧化剂的大量使用使批量生产存在一定的安全隐患。

　   鉴于此，团队科研人员采用安全有效的掺杂敏化法，通过添加Sn²⁺对PbS进行敏化来提高其光电特性。研究结果表明，Sn²⁺的加入，延长了PbS薄膜形成的诱导期，提高了PbS结晶性，增大了晶粒尺寸，进而获得了高质量的Sn²⁺敏化的PbS薄膜（图1）。Sn²⁺敏化的PbS薄膜在可见光到近红外光的宽光谱范围内表现出优异的光电性能（图1）。在0.45 mW mm^-2的980nm光照下，Sn²⁺敏化的PbS探测器光响应度达22.34 A W^-1，探测率达2.26×10¹⁰ cm Hz^1/2 W^-1。与纯PbS相比，其光响应度提高了约5倍，探测率提升了约7倍（图2）。同时，Sn²⁺敏化使得其响应时间降低到微秒量级，仅是纯PbS薄膜探测器响应时间的十万分之一（图3a）。此外，该探测器对不同频率的脉冲光响应的稳定性高（图3b），在4 kHz高频脉冲光照射下，仍具有优异的稳定性和开关重复性能（图3c）。该工作表明Sn²⁺敏化的PbS薄膜可以被用作探测红外光的有效材料。

　　以上研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160860。

　　图1. 纯PbS和Sn²⁺敏化的PbS薄膜光电探测器在可见和近红外的光电流。

　　图2. 纯PbS和Sn²⁺敏化的PbS薄膜光电探测器的光电特性：（a）光响应度Rl与光功率密度的关系；（b）探测率D*与光功率密度的关系。

　　图3. 在波长为1550 nm的红外光照射下，探测器的光电特性：（a）响应速度；（b）Sn²⁺敏化的PbS薄膜探测器在不同频率的脉冲光作用下的响应稳定性；（c）Sn²⁺敏化的PbS薄膜探测器的4 kHz高频脉冲光下的归一化电流-时间曲线。