SILAR 法制备的柔性纸基 CuCdSnS4/SnS2 异质结用于宽带光探测，具有增强的响应度和探测度

《Materials Science and Engineering: B》：SILAR-derived flexible paper-based CuCdSnS 4 /SnS 2 heterojunction for broadband Photodetection with enhanced responsivity and detectivity

　　

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  采用SILAR技术在纸张基底上制备了一种用于宽带光探测的柔性CuCdSnS₄/SnS₂异质结。
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  XRD证实了异质结中正交CCTS和六方SnS₂的形成。
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  该光探测器在紫外、可见光和近红外波段均表现出高效的光响应特性。
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  所记录到的探测率为731.23 × 10¹⁰ Jones（近红外）、213.14 × 10¹⁰ Jones（可见光）和442.24 × 10¹⁰ Jones（紫外），量子效率为132.14%（近红外）、54.61%（可见光）和170.77%（紫外）。
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  经过5500次弯曲循环仍保持良好的机械柔性，证实了该器件在光电子学领域的应用潜力。

引言

高灵敏度和高效率的宽带光探测器是下一代光电技术的核心要素，使其能够整合到光学通信、军事监视、环境监测和高端成像系统等多种行业中[1]。当前研究的主要重点在于克服响应度和探测率不足的限制，同时从更宽的电磁波谱中扩展检测范围[2]。研究人员采用了各种技术，包括带隙工程、界面工程、混合架构和器件架构设计来突破这些限制。然而，在宽带谱灵敏度与高光响应之间取得平衡仍然是研究领域的关注焦点。

材料不相容导致形成无效结，产生内部电场过弱而无法实现有效的光载流子分离，这是开发高响应度宽带探测器面临的主要挑战之一[3]。因此，为了最大限度地提高器件的光响应特性，选择和合成具有显著内建电场形成能力的适当材料变得至关重要。块体材料由于其固有的固定电学特性，可调性较差。正因如此，人们将大量注意力集中在低维纳米材料上，在这些材料中，由于表面效应和量子限制效应，电子能带结构可以调节。

二维纳米材料已证明在这一领域是有望的候选材料，因为它们具有独特的光电子特性，与块体材料大不相同，并提供改进的光与物质相互作用、可扩展性和柔性[4]。在这些材料中，金属硫族化合物因其优异的光吸收能力、适当的电荷传输特性和环境稳定性而成为广泛研究的对象[5]。这些材料的高光电流产生、增强的探测率、更高的响应度、高开关速度和优越的外部量子效率只是其出色的光探测能力中的一部分。它们固有的低毒性和丰富的地球资源使其非常适合集成到柔性且可持续的光电子器件应用中。

特别是，P型半导体对光探测器技术的发展至关重要。最近，由二维硫族化合物组成的垂直异质结已经制备完成，这使得可以制造多功能电子和光电子器件，具有电子控制电子学和工程界面[6],[7]。这些异质结配置有助于太阳能电池、光电晶体管和发光二极管实现对电荷分离和传输过程的改进控制。与此同时，基于范德华力的异质结因其高效的电荷传输特性、强界面结合和可调的电子特性而得到了广泛研究[8],[9]。

CuCdSnS₄（CCTS）是最具公认性的窄带隙半导体之一，具有适用于近红外（NIR）探测的直接带隙特性。由于其高载流子迁移率、低工艺要求和在带隙为1.48 eV的近红外光谱区域具有优异的吸光能力，它已广泛应用于光探测器、晶体管和太阳能电池等光电子器件[10],[11]。然而，对于宽带探测而言，其紫外-可见光吸收是一个局限，因此需要与宽禁带半导体耦合以增强其宽带灵敏度。SnS₂在这方面受到了更多关注。SnS₂具有约2.72 eV的大带隙，对紫外敏感，高度结晶，并且通过钴离子掺杂可以很容易地控制其光学性质，从而修改其缺陷能级并增强亚带隙吸收，使其成为宽带光探测器的可持续合作伙伴材料[12]。此外，CCTS-SnS₂因其出色的化学稳定性、环境友好性和与柔性基底的柔性兼容，是下一代柔性光探测器的有前景材料。

尽管p-n异质结在光探测器中的使用已被广泛研究，但界面工程和材料配对进一步优化仍然有必要。在本研究中，我们通过将p型CCTS与n型SnS₂配对，形成p-n异质结，从而实现了有利于光生载流子的高效、有益的II型能带对齐。这种配置确保了高效的电荷转移和增强的载流子迁移率，从而增强了宽带谱范围的光探测性能。尽管基于SnS₂的光探测器已展现出优异的光响应性能，且已有一些关于基于SnS₂异质结结构的文献发表[13]，但CCTS-SnS₂在宽带光探测中的应用尚未得到充分探索。

在本研究中，我们利用SILAR方法介绍了一种基于纤维素纸的柔性CCTS-SnS₂异质结宽带光探测器的设计与制备。宽带隙SnS₂（2.72 eV）与窄带隙CCTS（1.48 eV）的集成实现了覆盖紫外、可见光和近红外区域的宽光谱吸收。异质结处的阶梯式能带对齐促进了高效的载流子分离，同时抑制了复合损失。因此，该器件表现出快速响应和恢复特性、增强的探测率以及在整个宽光谱范围内的均匀响应度。此外，即使在超过5500次弯曲循环后，该器件仍保持了优异的运行稳定性，凸显了其在柔性可穿戴宽带光电子学中的应用适宜性。

章节摘要

化学品和基底规格

从Sigma-Aldrich购得氯化亚锡二水合物（SnCl₂·2H₂O，纯度：99%）、氯化铜（Cu(II)Cl₂，纯度：98%）、硝酸镉四水合物（Cd(NO₃)₂·4H₂O，纯度>98%）和硫化钠片（Na₂S，纯度>52%）。高纯度去离子水（电阻率：18 MΩ/cm）由Millipore Direct-Q3 UV系统获得并使用。商用A4白色打印纸（75GSM，纤维素基）作为器件制备的柔性基底使用。基于碳的感应油墨

结构评估和形貌评价

使用X射线衍射研究（XRD）检查了所制备的CCTS/SnS₂薄膜的晶体结构和相发展情况。图2a显示了相应的衍射图谱，下部的图案代表CCTS，中间的图案代表SnS₂。在2θ = 16.07°、22.80°、29.39°、31.59°、38.72°、47.77°、50.87°、56.02°处观察到的CCTS衍射峰分别对应于(002)、(0 0 2)、(112)、(101)、(220)、(2 2 0)、(4 0 0)、(311)晶面，并且

结论

本研究报道了一种低成本和可重复使用的SILAR技术，用于在基于纤维素纸的CCTS/SnS₂异质结上制备具有宽带灵敏度的柔性光探测器。该器件实现了在紫外（UV）、可见光和近红外（NIR）区域高灵敏度地探测光。结果表明了材料组合和异质结设计的有效性。性能的提升主要归因于界面处的II型能带对齐

CRediT作者贡献声明

Amritangsu Sen：撰写——初稿，验证，方法论，数据整理，概念化。Sushmee Badhulika：撰写——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，调查，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

Amritangsu Sen|Sushmee Badhulika