Zn掺杂Fe3O4@BG核壳纳米颗粒构建宽光谱Ag/Fe3O4@BG/Si肖特基光电二极管的研究

为解决宽光谱光电探测器的材料设计与性能优化问题，研究人员首次将Zn掺杂生物活性玻璃(BG)包覆的Fe3O4核壳纳米颗粒作为界面层，构建Ag/Fe3O4@BG/Si异质结器件。通过系统表征证实3wt.%和5wt.% Zn掺杂可调控粒子尺寸与光电性能，在UV-NIR波段展现出优异的响应度(Responsivity)和比探测率(Specific detectivity)，为新型光电器件开发提供创新材料体系。

　　

在光电探测领域，传统硅基器件面临着光谱响应范围窄、界面复合损失大等挑战。尤其随着物联网和智能传感技术的发展，亟需开发能同时响应紫外(UV)到近红外(NIR)宽光谱范围的新型探测器。与此同时，磁性纳米材料Fe₃O₄因其独特的磁光特性备受关注，但其在光电器件中的应用仍存在界面稳定性差的问题。生物活性玻璃(Bioactive Glass, BG)作为生物医学领域的明星材料，其优异的界面相容性和可调控的光学特性尚未在光电领域充分挖掘。

针对这一科学问题，土耳其科学技术研究理事会资助的研究团队创新性地将Fe₃O₄@BG核壳纳米颗粒引入光电探测器设计。比莱吉克谢赫埃德巴利大学的Adem Kocyigit教授团队与合作者采用改良St?ber法，首次制备出Zn掺杂量分别为3wt.%和5wt.的Fe₃O₄@BG核壳纳米颗粒，并将其作为界面层构建Ag/Fe₃O₄@BG/Si肖特基型异质结器件。相关成果发表在《Sensors and Actuators A: Physical》期刊。

研究采用共沉淀法合成Fe₃O₄核心，通过改良St?ber法包覆Zn掺杂BG壳层。利用XRD、TEM、FEG-SEM进行结构表征，通过I-V和I-t测试系统分析器件在不同光功率密度和波长下的光电性能，采用Cheung-Cheung方法计算势垒高度、理想因子等参数。

Synthesis of Fe₃O₄@BG core-shell nanoparticles
通过分步沉淀法，以FeCl₃·6H₂O和FeCl₂·4H₂O为前驱体制备Fe₃O₄纳米颗粒核心，随后在氨催化条件下包覆含Zn(NO₃)₂的BG壳层，形成具有明确核壳结构的纳米复合材料。

Characterization of Fe₃O₄@BG core-shell nanoparticles
SEM分析显示Zn掺杂量显著影响颗粒尺寸，Fe₃O₄@BG3平均粒径为85nm，而Fe₃O₄@BG5增大至110nm。XRD证实了立方相Fe₃O₄(JCPDS No.19-0629)和非晶态BG的共存，TEM清晰观察到5-10nm厚的BG壳层均匀包覆。

Conclusions
研究发现5wt.% Zn掺杂样品在550nm光照下表现出最高响应度(0.35A/W)，比探测率达1.1×10¹² Jones。器件性能与Zn掺杂浓度呈非线性关系，3wt.%样品在NIR区域(850nm)具有更优响应。通过分析I-V特性，证实Fe₃O₄@BG界面层能有效降低肖特基势垒高度(从0.72eV降至0.65eV)，系列电阻减小40%，显著提升载流子传输效率。

这项研究首次将生物医学材料BG成功应用于光电器件领域，通过精确调控Zn掺杂浓度实现了宽光谱(300-1100nm)响应性能的优化。所开发的核壳结构界面工程策略为新型自供电光电探测器设计提供了新思路，特别是在环境监测、生物传感等需要宽光谱响应的应用场景中展现出巨大潜力。Murat Y?ld?r?m等作者强调，该材料体系兼具生物相容性与光电活性，未来在可植入式光电设备中具有独特优势。