一种三维钠铋硫花状微球结构及其制备方法及其在宽光谱光电探测器中的应用

1.本发明属于半导体探测材料制备技术领域，具体涉及一种三维钠铋硫花状微球结构及其制备方法及其在宽光谱光电探测器中的应用。


背景技术：

2.近年来，光电探测器因其可应用于通信、国防、生物医学、环境监测和海洋探测等各个领域，受到广泛的重视。一般来说，光电探测器可以根据波长探测范围分为紫外、可见光和红外探测器。与这些单波段探测器相比，宽光谱光电探测器可以同时实现从紫外、可见到红外波段范围内光的检测，这对于军事、工业和民用应用至关重要。目前，已报道的应用于宽光谱探测器的材料主要有ch3nh3pbls，ingaas及inas等，然而这些材料的制备设备昂贵、工艺复杂、成本高，且存在as或pb等有毒元素，极大地阻碍了其实际应用。因此，探索一种制备方法简单、成本低、环境友好的新型宽光谱探测材料成为当前的研究热点。
3.碱铋三元硫化物由于无毒、带隙可调和成本效益等优点，在光催化、太阳能电池、探测器等方面具有潜在的应用价值，引起了研究人员的极大兴趣。其中，nabis2作为碱铋三元硫化物的一员，具有1.22ev的窄带隙、优异的光稳定性和化学稳定性，是一种理想的宽光谱光电探测材料。然而，关于nabis2的研究正处于初始阶段，目前为止仅报道了应用于光催化的一维和二维纳米结构的nabis2材料。
4.相比传统一维或二维纳米结构材料，众所周知由二维的结构单元组装而成的三维分层结构不仅具有二维结构单元的特点，同时还展现出三维结构自身独特的优点，如比表面积大、允许光的多次反射及高的光吸收性等，这对于获得高性能探测器至关重要。因此，利用一种操作简单，且以环境友好的原料作为反应物的水热法制备具有三维分层结构的nabis2花状微球并研究其在光电探测领域中的应用具有非常重要的意义。迄今为止国内外关于三维nabis2花状微球结构的制备还未见报道，特别是基于nabis2材料的宽波段探测性能的研究也鲜有报道。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种三维钠铋硫花状微球结构及其制备方法及其在宽光谱光电探测器中的应用。本发明采用水热法首次制备出了具有三维层次结构的nabis2花状微球，以旋涂有nabis2花状微球的导电衬底作为工作电极，pt电极、ito、fto或pet-ito作为对电极，进一步通过热封膜将工作电极和对电极封装成三明治结构，在其中间注入聚硫电解质或去离子水，获得具有优异性能，可在无偏压条件下工作的自供能宽光谱光电探测器。本发明采用的方法具有操作简单、环境友好和成本低等优点，适合大规模工业化生产，具有很高的应用前景。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
7.一种三维钠铋硫花状微球结构，所述钠铋硫花状微球结构整体呈三维分层结构，
光电探测器也显示出优异的宽光谱探测性能，在未来光电探测领域应用前景广阔。
附图说明
26.图1为本发明实施例1所制备的三维nabis2花状微球的高倍sem图；
27.图2为本发明实施例1所制备的三维nabis2花状微球的低倍sem图；
28.图3为本发明实施例1所制备的单个三维nabis2花状微球的局部高倍sem图；
29.图4为本发明实施例1所制备的三维nabis2花状微球的xrd图；
30.图5为本发明实施例2所制备的nabis2花状微球光电探测器在紫外光照射下的电流密度曲线图；
31.图6为本发明实施例2所制备的nabis2花状微球光电探测器在可见光照射下的电流密度曲线图；
32.图7为本发明实施例2所制备的nabis2花状微球光电探测器在红外光照射下的电流密度曲线图。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
34.实施例1：
35.一种三维nabis2花状微球结构的制备方法，具体步骤如下：
36.步骤一、配制含有0.1mol的氢氧化钠的碱性溶液，随后将1mmol的硫脲和0.2mmol的氧化铋依次加入配制好的碱性溶液中，持续搅拌3小时后得到前驱体溶液；然后将其转移至高压反应釜中，填充度为40％，密封后放入恒温加热干燥箱中，在200℃水热反应24小时，冷却至室温取出样品，依次用去离子水和乙醇洗涤并在室温下干燥，得到三维nabis2花状微球。
37.图1为nabis2花状微球的低倍sem图。从图1中可以观察到大量具有良好分散性的nabis2微球，它们几乎保持相同的形状和尺寸。进一步从图2中看出，nabis2由许多约100nm厚的纳米片组成，呈现出明显的花状微球分层结构，其平均直径约为6μm。从单个三维nabis2花状微球的局部高倍sem图(图3)可以看出，组成nabis2花状微球的纳米片是由许多规则交叉和交错的薄片形成的，这使其表面不平整且相当粗糙。nabis2花状微球的xrd图谱如图4所示，分别位于2θ＝26.74
°
、30.99
°
和44.41
°
的三个高强度衍射峰归属于nabis2的(111)、(200)和(220)晶面，其余特征峰也与nabis2立方相的(311)、(222)、(400)、(331)和(420)晶面非常一致(jcpds#01-075-0065)。除此之外，没有发现其他衍射峰，表明成功制备了高质量三维nabis2花状微球。
38.实施例2：
39.一种nabis2花状微球宽光谱光电探测器的制作方法，所述方法步骤如下：
40.将实施例1中制备的nabis2花状微球通过匀胶机旋涂在fto导电衬底上作为工作电极，pt电极作为对电极，将两者在145℃下热压16秒通过热封膜连接在一起，将聚硫电解质溶液通过毛细管注入器件中，即完成nabis2花状微球光电探测器的制备。
41.在零偏压条件下对制备好的探测器进行紫外探测性能测试。图5为nabis2花状微球光电探测器在紫外光(365nm)照射下的光电流密度曲线，从图中可以看出该探测器的最大光电流密度为304.35μa/cm2。在多个周期循环下，光电流密度的变化趋势基本一致，表明nabis2花状微球光电探测器对紫外光具有很好的稳定性和重现性。
42.图6为nabis2花状微球光电探测器在可见光照射下的光电流密度曲线。在可见光(530nm)照射下，nabis2花状微球光电探测器的光电流密度迅速升高，达到最大值252.63μa
·
cm-2
，然后保持稳定。当可见光关闭时，该探测器迅速恢复至初始状态。如此循环多次，nabis2花状微球光电探测器均表现出相同的光响应变化规律，可见nabis2花状微球光电探测器在可见光区也显示出了优异的响应特性和稳定性。
43.此外，采用850nm波长的光作为模拟红外光源，研究其对红外光的探测能力，结果如图7所示。在红外光照射时，nabis2花状微球光电探测器的光电流密度可以达到稳定值90.41μa
·
cm-2
，关闭红外光后其光电流密度快速下降至初始状态，且在循坏测试中，其最大光电流密度基本保持一致，结果表明上述方法制备的nabis2花状微球光电探测器可实现对红外光的稳定探测。并且该探测器无需外部电源即可探测紫外、可见和红外光，展示了其自供电特性。本发明首次实现了三维nabis2花状微球在光电探测器上的应用，为光电领域提供了一种新的可选择的宽光谱光电材料。
44.实施例3：
45.一种基于三维nabis2花状微球结构的柔性光电探测器的制备方法，所述方法步骤如下：
46.将实施例1中制备的nabis2花状微球通过匀胶机旋涂在pet-ito柔性衬底上作为工作电极，将固体电解质均匀敷在工作电极上，以蒸镀有ag的pet-ito作为对电极，将两电极组装在一起，自然干燥12小时，即完成nabis2花状微球柔性光电探测器的制备。该nabis2花状微球柔性光电探测器能够在弯曲条件下实现紫外、可见到红外光的宽波段探测。