激光烧蚀硫脲溶液制备Bi2 S3 /Si异质结光电探测器：高性能与能带调控新策略

本研究通过激光烧蚀硫脲溶液中的铋靶，无需催化剂成功制备了高性能Bi2 S3 /Si可见光探测器。团队系统研究了激光能量密度对Bi2 S3 纳米结构形貌、光学带隙（1.74-1.85 eV）及电学性能的调控作用，最优器件在350 nm处实现1.32 A/W响应度与480%外量子效率，为环境监测等领域提供了新型解决方案。

　　

在光电探测领域，开发兼具高响应度、宽光谱响应和快速响应的半导体材料始终是研究热点。传统硅基探测器虽成熟但存在带隙限制，而新兴二维材料又面临制备工艺复杂的瓶颈。铋硫化物(Bi₂
S₃
)作为窄带隙(1.3-2.2 eV)半导体，理论上可覆盖可见光至近红外波段，但其实际性能受制于制备方法对材料形貌和界面特性的影响。现有化学合成法常引入杂质且形貌可控性差，而真空沉积技术又面临成本高、工艺复杂等问题。

针对这些挑战，来自Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University等机构的研究团队创新性地采用液相激光烧蚀技术(LAL)，通过调控激光能量密度(9.55-15.92 J/cm²
)在硫脲溶液中直接制备Bi₂
S₃
纳米结构，并构建了Bi₂
S₃
/Si异质结光电探测器。该工作发表在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》，首次实现了激光烧蚀硫源溶液法合成铋硫化物，为高性能光电探测器开发提供了新思路。

研究采用Nd:YAG激光器(1064 nm波长)烧蚀铋靶，通过XRD、拉曼光谱、FE-SEM和AFM表征材料特性，利用霍尔效应测试电学性能，最终通过I-V测试和瞬态响应评估器件性能。

3. 结果与讨论
结构特性：XRD证实产物为斜方晶系Bi₂
S₃
(JCPDs #170320)，晶粒尺寸89.1-102.9 nm。拉曼光谱显示510 cm^-1
(B_1g
模)和294.5/654 cm^-1
(A_g
模)特征峰，强度随激光能量增加而增强。

形貌调控：FE-SEM揭示激光能量密度可精确控制形貌演变：9.55 J/cm²
时形成纳米颗粒/多孔纤维混合结构，15.92 J/cm²
时出现片状结构。AFM显示表面粗糙度从48 nm增至196 nm，有利于光捕获。

光电性能：带隙从1.85 eV降至1.74 eV，符合量子尺寸效应。但电导率和迁移率分别从6.41×10^-2
(Ω·cm)^-1
和4.02 cm²
/V·s下降，归因于晶界增多。最优器件(15.92 J/cm²
)在350 nm处实现1.32 A/W响应度，EQE达480%，源于载流子倍增效应。瞬态响应显示0.34/0.34 s的上升/下降时间，τ_r
/τ_f
=1表明陷阱辅助复合可忽略。

4. 结论
该研究开创性地将液相激光烧蚀应用于硫族化合物合成，通过能量密度调控实现了Bi₂
S₃
形貌与能带的精确设计。所制备的异质结探测器在保持快速响应(亚秒级)的同时，突破性地将紫外区EQE提升至480%，其性能稳定性(三个月后参数衰减<5%)更凸显实用价值。这种方法避免了传统工艺的复杂后处理，为开发环境监测、激光计量等应用的高性能探测器提供了可扩展的绿色制备方案。特别是通过激光参数调控界面特性的策略，为其他硫族化合物异质结器件的设计提供了普适性参考。