一种具有高效光电转换的0D/1D异质结光电探测器及其制备方法

本发明涉及一种高效光电转换的0d/1d异质结光电探测器及其制备方法，属于低维杂化异质结光电器件领域。

背景技术：

1、零维(0d)量子点由于大的比表面积具有高光吸收量的优势，一维(1d)纳米结构由于独特的长径比结构可以提供直接的电荷传输通道。因此，构建0d/1d杂化异质结，兼顾了不同维数的优势，可以被广泛应用于光电应用领域。然而0d量子点内的载流子由于无法直接传输到电极，这会导致分离后的光生载流子在界面处积累，增加异质结界面处载流子的再复合机率，降低0d/1d异质结光电探测器的光电转换效率，从而影响0d/1d异质结器件的响应速度。

2、异质结界面在光电探测器中扮演着至关重要的角色，它是光生载流子分离的关键区域，对整个器件的光电转换效率产生直接影响。为了提升光生载流子的分离和传输效率，目前已经开发出多种界面工程策略，比如调整能带结构，优化界面质量以及增加异质结接触面积等等。通过实现type-ⅱ能带对齐可以使得光生载流子在内建电场作用下沿着相反的方向运动，但这需要选择具有适当能级差异的材料。此外，还需要考虑材料之间的晶格匹配程度，这会影响异质结的稳定性和界面质量，导致载流子传输受限。优化界面质量可以通过两种途径实现：一是提升异质结本身的界面质量，二是改善异质结材料与电极之间的接触质量。这涉及到采用原位生长异质结工艺或引入额外的绝缘氧化层等其他技术来实现更为平滑的界面，促进光生载流子的分离和转移。此外对于0d/1d异质结，较大接触面积能够提供更多的光生载流子分离区域，促进0d/1d异质结光电探测器的光电转换效率。这往往需要通过酸性或者碱性溶液对纳米棒阵列进行刻蚀处理，调控纳米棒生长密度及其长径比，从而提供更多的量子点附着位点。但这种处理会导致界面粗糙程度变大，增加了载流子在传输过程中的散射机率，降低载流子的迁移率，进而影响光电转换效率。最关键的是，以上的界面工程策略可以广泛应用于2d/2d、2d/3d高性能低维杂化异质结光电探测器，但仍然无法解决基于0d量子点异质结所导致的分离后的载流子再复合问题。

3、因此，提出一种新的界面工程策略，降低0d/1d异质结界面处的光生载流子再复合率，进一步提高异质结光电探测器的光电转换效率，实现具有超快响应速度的0d/1d异质结光探测器是一项具有挑战性的课题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于开发一种界面工程策略，解决0d/1d异质结体系光生载流子再复合率高、光电转换效率低、界面工程难度大等问题。针对上述问题，本发明研究人员提出了一种缺陷相关的0d/1d异质结界面捕获机制。通过特意引入带有缺陷态的zno量子点作为“电子捕获池”，确保更多的光生空穴被收集，从而有效抑制了光生载流子的再复合，提高0d/1d zno/cuo异质结光电探测器的光电转换效率。此外，采用滴涂法及物理吸附的方式构建并转移0d/1d zno/cuo异质结，操作简单，易于集成，最终获得了响应度高、响应速度快，光电转换率高的0d/1d光电探测器。

2、特别说明，由于表面缺陷会引起的带隙变窄，增强zno量子点的可见光活性。因此，本发明中带有缺陷态的zno量子点被标记为活性的(“activated”)量子点(a-zno量子点)。没有缺陷态的zno量子点被标记为失活的(“inactivated”)量子点(i-zno量子点)。将两种量子点分别与cuo纳米棒复合，构建相应的0d/1d zno/cuo异质结分别被标记为(a-zno)/cuo和(i-zno)/cuo,其中没有界面缺陷态的异质结(i-zno)/cuo作为对照组，与本发明特意引入具有界面缺陷态的异质结(a-zno)/cuo进行对比。

3、本发明具体提出的0d/1d zno/cuo异质结光电探测器，自上而下包括0d/1d zno/cuo异质结体系、金叉指电极。其中金叉指电极指宽5 μm，缝宽3 μm，指长1400 μm。

4、上述0d/1d zno/cuo异质结光电探测器的制备过程，具体包括以下步骤：

5、1. 取cuo纳米棒放置在加热台上加热，去除cuo纳米棒粉末中的水分，避免影响实验结果；

6、2. 称取1 mg的cuo纳米棒放置在清洁干燥后的载玻片上，取40 μl带有缺陷态的zno量子点滴涂在cuo纳米棒上，构建0d/1d zno/cuo异质结体系；

7、3. 收集0d/1d zno/cuo异质结体系，利用洗耳球或者一次性吸管蘸取后，缓慢吹向金叉指电极，提高异质结体系的分散性；

8、4. 将0d/1d zno/cuo异质结光电探测器放置1 h，增强金属电极与异质结体系之间的相互作用程度。

9、本发明相较于传统仅仅关注光生载流子分离的0d/1d异质结光电探测器，通过引入带有缺陷的zno量子点来调节type-ⅱ能带结构，从而抑制了分离后的光生载流子再复合过程，实现了0d/1d zno/cuo异质结光电探测器高效的光电转换。此外，通过滴涂在干燥的方式构建异质结将其物理吸附转移至叉指电极上制备光电探测器，不需要复杂的制备工艺且没有引入额外的试剂，避免了杂质的产生，影响实验效果。

技术特征：

1.一种通过缺陷相关的界面工程策略所获得的具有高效光电转换效率的0d/1d zno/cuo异质结光电探测器，自上而下包括0d/1d zno/cuo异质结体系、金叉指电极。

2.根据权利要求1中所述的0d/1d zno/cuo异质结光电探测器，其中金叉指电极指宽5μm，缝宽3 μm，指长1400 μm。其中引入界面缺陷态的zno/cuo异质结通过滴涂法构建并通过物理吸附法转移至金叉指电极上。同时这也适用于其他的0d/1d异质结体系中。

3.根据权利要求1中提及的异质结体系，同样适用于其他基于0d量子点的低维杂化异质结体系，如基于cuo、zno、tio2等量子点的低维杂化异质结体系。

4.制备上述特意引入界面缺陷态的0d/1d zno/cuo异质结光电探测器，其特征包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种具有高效光电转换的0D/1D异质结光电探测器及其制备方法，属于低维杂化异质结探测器技术领域。本发明通过刻意引入带有缺陷态的ZnO量子点作为“电子存储池”，构建新型Type‑Ⅱ0D/1D ZnO/CuO异质结界面。一方面，典型的0D/1D杂化结构的协同作用增强了器件的光吸收总量并提高了载流的传输；另一方面，新型的0D/1D异质结界面不仅加速了光生载流子的分离，而且通过捕获分离后的电子，降低了光生载流子的再复合率，使得更多的光生载流子参与光电转换。相较于传统仅关注界面载流子分离效率的0D/1D异质结光电器件，本发明的0D/1D异质结光电探测器有效解决了0D量子点造成的载流子再复合问题，表现出优异的光电转换效率。0D/1D ZnO/CuO异质结光电探测器可以实现20 ns超快的响应速度，213 A/W的响应度以及超过5.5×10<supgt;4</supgt;%的外量子效率。

技术研发人员：石凯熙,李亚妮,李金华
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10