聚乙烯醇涂层n-SnO?/p-Si异质结基混合紫外光探测器的选择性UVC传感特性

《Materials Science and Engineering: B》：Selective UVC sensing feature of polyvinyl alcohol coated n-SnO 2/ p-Si heterojunction-based hybrid UV photodetector

本工作采用脉冲激光沉积法成功制备了n-SnO?/p-Si异质结器件，并通过优化聚乙烯醇（PVA）有机层浓度（0.1-0.7 M）构建了有机-无机复合紫外传感器。研究表明，PVA浓度调控可有效抑制365 nm UVA响应（降低至76.58±25.01 AW?1）并显著增强260 nm UVC响应（提升至105.10±1.27 AW?1），同时量子效率（3.65×10?%→5.01×10?%）和检测度（9.66×10? Jones→15.64×10? Jones）同步优化。器件稳定性随PVA浓度增加而改善，响应时间延长。该可见光盲UVC传感器在环境监测和火焰检测领域具有应用潜力。

　　

Ronald P. Koushik | J.M. Kalita

印度古瓦哈提棉大学物理系，邮编781001

摘要

本文开发了一种具有可见光屏蔽特性的有机-无机杂化紫外传感器，该传感器采用脉冲激光沉积法合成的n-SnO₂/p-Si异质结制备而成。在无机SnO₂薄膜上涂覆聚乙烯醇（PVA）作为有机选择性层，从而形成了PVA/n-SnO₂/p-Si有机-无机杂化器件。对器件的结构、表面形态和元素组成进行了分析，并研究了其光学和电学性质随PVA浓度（0.1–0.7 M）的变化规律。电流-电压测量结果显示出了典型的p-n结整流行为。随着PVA浓度的增加，器件的电流降低。值得注意的是，该器件具有可调的紫外选择性：在0.1 M PVA浓度下，365 nm的UVA响应因PVA层的过滤作用而减弱，而260 nm的UVC响应显著增强。在6.0 V偏压下，器件的响应度、量子效率和探测率分别从76.58 ± 25.01 AW^?1、(3.65 ± 1.19) × 10⁴% 和 (9.66 ± 3.20) × 10⁹ Jones提升至105.10 ± 1.27 AW^?1、(5.01 ± 0.06) × 10⁴% 和 (15.64 ± 0.02) × 10⁹ Jones。这些结果表明PVA对优化器件对UVC辐射的敏感性具有重要影响。此外，随着PVA浓度的增加，器件的稳定性提高，响应时间也得到延长。因此，PVA/n-SnO₂/p-Si器件可用作可见光屏蔽的UVC选择性传感器。

引言

紫外（UV）传感器在环境监测、火焰检测和安全通信等多种应用中至关重要[1,2]。精确检测不同波段的紫外线（UVC：100–280 nm、UVB：280–315 nm、UVA：315–400 nm）是必不可少的[3]。例如，对太阳光具有屏蔽能力的UVC传感器对于火灾检测至关重要[2]。文献中报道了采用二维纳米材料的多种太阳光屏蔽型UV探测器[4]。在用于UV检测的各种器件结构中，p-n异质结器件因其界面处光载流子复合减少而受到青睐，从而实现了良好的光检测性能和量子效率[5]。通常，n型金属氧化物无机半导体（如ZnO[6]、TiO₂[7]、Ga₂O₃[8]和SnO₂[9]）因其优异的UV检测性能而被广泛研究[10]。例如，Ling等人制备的SnO₂/SiO₂/p-Si异质结器件的光响应度约为0.28–0.35 AW^?1，探测率约为2.66 × 10¹² Jones，响应时间小于0.1 s，适用于宽光谱范围（365–600 nm）[11]。Ozel等人制备的另一种SnO₂/p-Si异质结器件在254 nm UVC波段的响应度为约19 mAW^?1[12]。

近年来，有机-无机杂化光电探测器的开发因其增强的灵敏度、选择性和可调性而受到广泛关注[2,13,14]。金属氧化物（无机材料）作为活性传感介质，而有机层则有助于电荷传输或充当钝化层[2]。将有机层与某些无机层结合可形成有机-无机异质结，从而提升传感器的性能[13,15]。例如，由ZnO纳米棒和p型聚[[4,8-bis[(2 ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b]dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]]（PTB7）聚合物组成的杂化光电探测器在351 nm处的响应度为307.18 AW^{?1?1[16]。大多数文献中报道的杂化探测器基于ZnO[16,17]和β-Ga₂O₃[15,18,19]与某些有机聚合物的组合。然而，大多数杂化光电探测器仅具有从紫外到红外辐射的宽带光检测能力[2]。关于利用这种杂化结构进行选择性紫外光检测的研究较少。Shao等人[20]最近报道了涂有PVA的In₂O₃纳米粒子的近紫外光检测特性。}

以往关于SnO₂的研究主要集中在纳米结构优化或异质结工程上，以改善紫外响应[21]。然而，我们的研究表明，PVA的光学选择性和载流子捕获能力能够抑制UVA检测，同时增强UVC检测。PVA是一种具有易于加工、生物相容性和优异成膜性能的有机聚合物[22,23]。尽管具有这些优点，但PVA在薄膜紫外光电探测器中的应用仍不充分。

我们报道了采用脉冲激光沉积（PLD）法合成的PVA/n-SnO₂/p-Si有机-无机杂化紫外传感器的UVA和UVC检测特性。通过改变PVA层的浓度并涂覆在n-SnO₂/p-Si器件上，详细研究了该器件的电学性质和电流传导机制，并分析了PVA对选择性紫外检测的影响。

样品制备

SnO₂粉末的制备采用了Koushik等人[9]报道的共沉淀方法。将SnO₂粉末压制成直径为15 mm的颗粒，并在1000°C下烧结12小时，形成高密度的SnO₂靶材，用于PLD沉积。SnO₂薄膜通过PLD从该靶材上沉积。沉积薄膜时，将p型硅（111）晶圆清洗后置于PLD腔室中，真空度为2 × 10^?2 Pa，氧气压力为0.2 mBar。

XRD分析

图2(a)显示了SnO₂薄膜的XRD图谱。数据未经过背景校正，以便更好地观察低强度的衍射峰。对应于晶体平面（110）、（101）、（200）、（111）、（211）、（220）、（112）、（301）、（202）、（321）和（222）的衍射峰分别出现在2θ位置26.66、33.99、38.01、39.05、51.87、54.89、64.81、65.99、71.52、78.80和83.77°。沉积的SnO₂薄膜的XRD图谱显示出

比较研究

有机-无机杂化器件通常利用有机层进行电荷传输或界面工程，并结合氧化物/硫属化合物无机宽带隙半导体作为活性紫外-可见光传感层[2]。对于UV检测，大多数氧化物材料主要在UVC或UVA范围内表现出敏感性。例如，基于β-Ga₂O₃的传感器在UVC检测中的响应度为26.1 AW^{?113 Jones。}

结论

本文采用PLD和旋涂法合成了基于n-SnO₂/p-Si异质结的有机-无机可见光屏蔽紫外传感器。聚乙烯醇（PVA）作为有机层，无机SnO₂薄膜作为活性层用于UV检测。通过对材料进行结构、形态和元素分析，系统研究了其光学和电学性质。通过改变PVA浓度，研究了I-V特性。

CRediT作者贡献声明

Ronald P. Koushik：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析、概念化。 J.M. Kalita：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、结果验证、实验监督、资源管理、项目协调、方法论设计、实验研究、资金申请、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

R.P.K.和J.M.K.感谢UGC-DAE CSR通过合作研究计划（CRS）项目编号CRS/2022-23/01/681（日期2023年5月15日）提供的财务支持。我们感谢Ram Janay Choudhary博士作为该项目的主要合作者。同时，我们也感谢UGC-DAE CSR Indore中心在Dr. R. Venkatesh的指导下提供的AFM、FE-SEM和EDX设备支持。此外，我们感谢Rajan Mishra先生在UGC-DAE CSR Indore中心协助操作PLD系统。