基于Bi2Te3纳米线/碳纳米管三明治结构的自供电宽带光热电探测器及其性能增强研究

本文报道了一种基于CNT/Bi2Te3/CNT三明治结构的自供电宽带光热电探测器（PTE），通过Seebeck效应实现紫外-近红外（380–1550 nm）高效探测。该器件利用Bi2Te3纳米线（直径～21.5 nm）与碳纳米管（CNT）的协同作用，显著提升比探测率（D*达1.27×109 cm·Hz1/2·W?1），为高性能热电器件设计提供新策略。

　　

Highlight

Raw materials

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、氨水（NH₃·H₂O）、水合肼（N₂H₄·H₂O）和五水硝酸铋（Bi(NO₃)₃·5H₂O）购自国药集团。五水亚碲酸钠（Na₂TeO₃·5H₂O）购自上海麦克林生化有限公司。

Sample preparation

Te纳米线的制备参考文献并稍作修改（图1）。典型步骤：将1g PVP和0.125g Na₂TeO₃·5H₂O溶解于25ml水中，以600rpm转速搅拌1小时，随后加入0.5ml氨水和0.5ml水合肼，混合溶液转移至50ml高压反应釜中，180°C反应12小时。冷却后离心收集Te纳米线，用水和乙醇洗涤三次。

Bi₂Te₃纳米线的制备通过水热法实现：将0.5mmol Te纳米线分散于20ml水中，加入0.33mmol Bi(NO₃)₃·5H₂O，搅拌30分钟后加入2ml水合肼，转移至高压釜中160°C反应6小时。产物离心后用水和乙醇清洗，最终获得Bi₂Te₃纳米线。

CNT/Bi₂Te₃/CNT三明治膜的制备：将CNT膜（直径1.5cm）浸入Bi₂Te₃纳米线分散液（1mg/ml）中，超声处理10分钟使纳米线均匀附着，干燥后覆盖另一层CNT膜，热压成型。

Results and discussion

图2(a)显示合成的Te纳米线具有极高的长径比和均匀性。水热反应后，Bi₂Te₃纳米线长度略有收缩但仍保持均匀（图2(b)）。这些纳米线随机但密集地分布在CNT基底上（较大直径管），部分甚至嵌入CNT网络间隙，形成紧密界面接触。

XRD图谱（图2(c)）证实Bi₂Te₃纳米线为纯菱面体相（JCPDS No.15-0863），无杂质峰。HRTEM图像（图2(d)）显示清晰的晶格条纹，间距0.32nm对应(015)晶面，表明高结晶度。

Conclusion

总之，我们构建了一种基于CNT层和Bi₂Te₃纳米线的三明治结构用于宽带探测。通过I-V特性曲线和位置依赖响应，光电压的产生机制被验证为PTE效应。基于CNT/Bi₂Te₃/CNT薄膜的探测器表现出优异的开关行为，响应速度是原始CNT的两倍。此外，其比探测率在380–1550nm波段内可达1.27×10⁹ cm·Hz^1/2·W^?1，性能显著提升。