激光能量调控Au@CdO核壳纳米颗粒在多孔硅上的合成及其光电探测器性能研究

《Optics & Laser Technology》：Synthesis of Au@CdO nanoparticles using laser ablation deposited on porous silicon for photodetector applications

本文系统研究了通过脉冲激光液相烧蚀法（PLAL）在不同激光能量（600/1000/1200 mJ）下合成的Au@CdO核壳纳米颗粒，发现提高激光能量可减小粒径（170 nm→70 nm）、降低光学带隙（3.42 eV→3.22 eV），并显著提升光电探测器性能（响应度0.184 A/W，探测率1.2×1012 Jones，外量子效率50.8%）。该研究为激光参数调控纳米材料性能及高性能光电器件开发提供了新策略。

　　

亮点

材料与方法

所有纳米颗粒均采用高纯度金（Au）和镉（Cd）金属靶材（纯度99.9%）合成。通过脉冲激光液相烧蚀法（PLAL）制备Au@CdO核壳纳米颗粒，使用商用调Q Nd:YAG激光器（波长1064 nm，脉冲宽度10 ns，重复频率1 Hz）在三个能量水平（600mJ、1000mJ、1200mJ）下进行操作。激光通过动态聚焦透镜照射到浸没在去离子水中的旋转靶材上，烧蚀后的胶体溶液滴涂在预先制备的多孔硅（PS）基底上，最终在室温下干燥形成光敏层。

结果与讨论

通过X射线衍射（XRD）分析了在1200mJ激光能量下合成的Au@CdO核壳纳米颗粒的晶体结构（选择该能量是因为其可产生最均匀且尺寸最小的纳米颗粒，有利于核心结构表征）。如图2所示，衍射峰清晰显示了金和氧化镉的典型晶相，证实了核壳结构的成功构建。扫描电镜（SEM）图像进一步显示，随着激光能量增加，纳米颗粒尺寸显著减小且分布更均匀——600mJ时颗粒直径约170 nm且形状不规则，而1200mJ时尺寸缩小至70 nm并呈现良好单分散性。紫外-可见光谱表明光学带隙随激光能量升高而减小（从600mJ的3.42 eV降至1200mJ的3.22 eV），这归因于量子尺寸效应：小尺寸颗粒导致能级间距缩小。光电性能测试中，1200mJ样品表现出最优异的响应度（0.184 A/W），探测率高达1.2×10¹² Jones，外量子效率达到50.8%，凸显其在光电探测应用中的高灵敏度与效率。

结论

基于多孔硅基底负载Au@CdO核壳纳米颗粒的光电探测器表现出显著增强的性能。通过调控激光能量可精确调节纳米颗粒的尺寸与形貌，进而实现带隙工程与光电性能优化。该材料体系为下一代光电器件开发提供了新思路。