基于二氧化硅微柱阵列的CdS纳米棒/TiO2纳米棒异质结结构制备及其优异光敏性能研究

《Respiratory Physiology & Neurobiology》：Fabrication and photosensitive property of CdS nanorods/ TiO 2 nanorods structure grown on silica micropillars array

本文报道了一种在二氧化硅微柱阵列上成功制备CdS纳米棒/TiO2纳米棒异质结结构的新方法。研究人员针对传统硅/二氧化硅基底表面附着力差、难以生长纳米结构的难题，通过构建高深宽比微柱阵列增强界面结合力，并采用水热法依次生长TiO2和CdS纳米棒，形成具有明确异质结界面的双层结构。该结构在可见光和紫外光区域均表现出显著增强的光响应性能，可见光灵敏度达241，紫外光灵敏度达33.2，为高性能光敏电阻的开发提供了新思路。

　　

在光电探测领域，光敏电阻作为将光信号转换为电信号的关键元件，其性能提升一直是研究热点。传统的CdS（硫化镉）和TiO₂（二氧化钛）光敏材料虽各具优势，但面临着在平整硅基板上附着力差、比表面积有限等瓶颈问题，制约了器件性能的进一步提升。特别是在需要同时检测可见光和紫外光的应用场景中，如何构建兼具高灵敏度和宽光谱响应的器件结构成为亟待突破的技术难题。

为解决上述问题，中国科学院高能物理研究所的研究团队在《Respiratory Physiology》上发表了一项创新性研究，他们成功在二氧化硅微柱阵列表面制备了CdS纳米棒/TiO₂纳米棒异质结结构。这种独特的三维层次结构不仅解决了材料与基底的结合问题，还通过能带工程实现了高效的光生电荷分离，为新一代光敏器件的设计提供了新思路。

研究人员采用三个关键技术步骤：首先通过CsCl自组装和ICP干蚀刻法在硅衬底上制备高深宽比微柱阵列；接着利用水热法在微柱表面生长TiO₂纳米棒；最后同样通过水热法在TiO₂纳米棒上生长CdS纳米棒。通过优化生长时间等参数，获得了具有理想形貌和结晶质量的异质结结构。

材料表征与结构分析

扫描电镜结果显示，二氧化硅微柱呈铅笔状轮廓，平均直径500纳米，高度2.5微米，深宽比为5。经过2小时水热反应生长的TiO₂纳米棒直径约150纳米，长度约500纳米，均匀包覆在微柱的侧壁和顶部。CdS纳米棒经过3小时生长后，直径约100纳米，长度约300纳米，主要集中于结构顶部。透射电镜和X射线衍射分析证实，CdS和TiO₂纳米棒均具有高结晶度，其中TiO₂为金红石相，CdS为六方纤锌矿结构，两者在界面处形成清晰的异质结，晶面间距分别为0.325纳米和0.205纳米。

光学性能研究

反射光谱测试表明，CdS纳米棒/TiO₂纳米棒/二氧化硅微柱结构在200-800纳米波长范围内表现出显著降低的反射率。在520纳米处出现明显拐点，这与CdS的2.4电子伏特带隙相符；在400纳米处的拐点则对应TiO₂的3.0电子伏特带隙。双层结构相比单层结构具有更宽谱带的低反射特性，表明其具有更强的光吸收能力。

光响应性能测试

通过制备叉指电极结构的光敏电阻器件，研究人员系统测试了三种结构的光响应性能。在10毫瓦/平方厘米的白光照射下，CdS纳米棒/二氧化硅微柱器件的灵敏度为154，TiO_{2纳米棒/二氧化硅微柱器件为3.05，而CdS纳米棒/TiO2纳米棒/二氧化硅微柱器件达到241。在紫外光照射下，三层结构器件的灵敏度为33.2，也显著高于两个单层结构。这种性能提升归因于异质结界面促进的光生电子-空穴对有效分离，抑制了载流子复合，从而降低了亮态电阻。}

研究结论表明，这种在微柱阵列上构建的CdS/TiO₂纳米棒异质结结构成功解决了光敏材料在硅基板上的附着问题，同时通过能带匹配和界面工程实现了可见光和紫外光区域的高灵敏度探测。该工作不仅为光敏电阻性能提升提供了有效策略，其微纳结构集成方法对其它光电器件的开发也具有重要借鉴意义。特别是这种三维层次结构设计思路，可推广应用于太阳能电池、光电催化等多个光电转换领域。