《Journal of Alloys and Compounds》：High-performance nanocomposite Polyvinylpyrrolidone (PVP)-Co@C fibers based heterojunction photodetector
编辑推荐：
本研究设计并制备了基于PVP-Co@C纳米纤维/n-Si异质结的自供电宽带光电探测器，通过电纺技术实现纳米纤维沉积，结合XRD、FE-SEM和FTIR表征其结构特性。测试表明该探测器在零偏压下可工作于紫外-可见-红外区域，590 nm光照下开关比达1.35×10^5，检测度2.87×10^11 Jones，紫外检测度及转换效率分别达2.72×10^11 Jones和516%，展现优异性能。
Fatma Y?ld?r?m | Roya Shokrani Havigh | Hossein Mahmoudi Chenari | Samsoor Nuhzat | ?akir Aydo?an
土耳其埃尔祖鲁姆阿塔图尔克大学理学院物理系，邮编25240
摘要
我们设计并展示了一种基于PVP-Co@C纳米纤维与n-Si异质结的自供电宽带光电探测器，该异质结是通过将纳米纤维电纺到n-Si上制备的。我们利用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等多种分析技术，对这种复合纤维的结构、形态和化学性质进行了表征。通过对异质结器件在紫外（UV）、可见光（Vis）和红外（IR）区域的电光特性进行测量，我们发现即使在没有外部电压的情况下，该探测器也能在UV-Vis-IR区域工作，并且功耗较低。实验结果表明，PVP-Co@C纳米纤维/n-Si异质结探测器在零偏压下的开/关比高达1.35×10^5，且在590纳米光照下的探测灵敏度达到2.87×10^11 Jones。此外，在零偏压下，其紫外探测灵敏度和外量子效率（EQE）分别达到了2.72×10^11 Jones和516%。
引言
光电探测器是一种将光子转换为可测量电信号的光学器件。它们被广泛应用于成像、光谱分析、天文观测、光通信、食品和制造过程监控、远程控制、导弹探测、军事监视、火焰检测以及生物医学传感等领域[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7]。理想的光电探测器应具备低噪声、快速响应、小体积、宽光谱响应范围、高响应度和高增益等特性[8],[9]。目前，市场上主要使用基于CMOS的硅光电探测器，因为它们成本低廉、性能优异且与电子设备的集成度高。基于晶体硅的光电探测器通常用于可见光和近红外区域。然而，硅半导体的有限传感和操作特性，以及其机械刚性和脆弱性，成为实现高性能光子器件和先进可穿戴光电探测器的重要障碍。研究表明，在紫外区域，电子-空穴复合主要通过表面态发生[10]。因此，人们不断开发各种有前景的光子材料以克服传统技术的局限性。特别是新型的低维纳米材料，由于其高灵敏度、优异的化学和物理性质、热稳定性以及出色的载流子迁移率等特性，在非传统器件架构中得到了广泛研究[11]。除了这些特性外，光电探测器还有一个重要特点，即它们具有自供电能力。这意味着当异质结达到平衡状态时，内部产生的电场可以无需外部电源即可将光生载流子驱动到器件的两端。构成异质结构的材料之间的强极化作用产生了这一内部电场，使得电子和空穴在器件中形成光电流。自供电光电探测器在太阳能电池、光开关、气体传感器、遥感和无线通信系统等领域具有潜在应用。光电探测器从光子生成电信号的典型工作流程如下：(i) 通过吸收入射光产生载流子（电子-空穴对）；(ii) 将光生载流子分离并传输；(iii) 在电极处提取载流子以生成可测量的电信号[12]。在p-n异质结构中，当光线照射到器件上时，内部电场会促使电子和空穴向相反方向移动，而外部电压则有助于这一过程。
近年来，对红外偏振敏感的光电探测器在遥感、夜视和成像应用中受到了广泛关注[13]。与传统光电探测器不同，由低维材料制成的光电探测器由于其形态各向异性而具有偏振敏感性[14],[15]。此外，在紫外区域对偏振敏感的光电探测器在许多军事和民用应用中也至关重要[16]。由于基于有机或无机基材的单带隙材料的光电探测器会限制其宽带响应范围，因此由两种具有窄带隙和宽带隙的材料组成的异质结构具有更广泛的应用潜力。
电纺纳米纤维可用于晶体管、太阳能电池、传感器等多种器件，并且还可以应用于组织工程、催化和超滤等领域[17],[18]。由于它们在柔韧性、导电性、大面积表面、多种纤维形态和透明度等方面的优势，这些纳米纤维在软电子领域引起了极大兴趣[19]。利用这种技术可以制备低成本、高效率的薄膜，并且可以轻松将其组装到Si等无机基底上的异质结构中。相比之下，传统的纳米薄膜制备方法（如原子层沉积、化学气相沉积和分子束外延）需要严格控制的操作环境和昂贵的精密设备[20],[21]。
聚维吡咯烷酮（PVP）是一种非晶聚合物，具有高稳定性、良好的水溶性和环保性，且由于其机械耐久性，可以很容易地与碳（C）和钴（Co）形成复合薄膜。PVP中的内酰胺基团负责吸收紫外-可见光[22]。此外，碳纳米纤维在吸收电磁波方面表现出色[23]。尽管基于碳的吸收材料在吸收光方面有效，但其狭窄的吸收带隙被认为是一个缺点。然而，通过使用Co-C磁性复合材料可以克服这一缺点[24]。
将钴（Co）掺入碳材料中可以调节碳材料的带隙，主要是通过在带隙内创建局域能级来降低电子跃迁所需的能量，从而有效缩小带隙。这有助于改善光学和电子性能，对光催化、能量存储和自旋电子学等应用非常有益[25]。
在过去几十年中，关于Co/碳纳米纤维的研究不断增加，其他研究小组也发表了一些相关成果。例如，Zhang等人利用电纺技术在不同的碳化温度下成功合成了钴-碳纳米纤维复合材料（Co/C NFs）。钴-碳纳米纤维复合材料（Co-CNFs）具有较高的比表面积（1304 m^2/g）和磁分离能力[26]。在另一项研究中，通过电纺技术结合后续热处理合成了介孔碳/Co纳米纤维（Co-doped CNFs），并利用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱对其进行了表征。这些纳米纤维表面均匀分布着直径在10–50纳米范围内的Co（0）纳米颗粒。Co纳米颗粒的引入提高了CNFs的石墨化程度，从而增强了其导电性[27]。
本研究的主要目的是实验分析宽带隙PVP-Co@C复合纳米纤维（带隙4.16 eV）与1.12 eV的Si异质结在红外和紫外区域的高性能。尽管在宽带光电探测器领域已有大量研究，但在零偏压下同时实现高探测能力和高开/关比仍然是一个挑战。与以往使用简单金属氧化物薄膜的研究不同，本研究提出了一种新型的PVP-Co@C纳米纤维/n-Si异质结结构。通过利用电纺纳米纤维的高表面积比和Co@C纳米结构的协同电子特性，我们制备出了一种不仅在UV-Vis-IR区域实现良好性能，而且在零偏压下开/关比高达1.35×10^5的器件；这使该异质结成为近期文献中最高效的自供电光电探测器之一。
材料与设备
所使用的材料包括聚维吡咯烷酮（PVP，分子量Mw = 150,000）、聚维吡咯烷酮（PVP；Mw = 1300,000）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度99.8%）、无水乙醇（C2H5OH，纯度99.9%）以及Co（CH3COO2）·4H2O，均购自Sigma-Aldrich公司。所有试剂均未经进一步纯化。电纺设备为Electroris（eSpinner NF CO-N/VI，伊朗，网址：http://www.anstco.com），工作电压为1–35 kV。制备样品的稳定化和碳化过程是在马弗炉中完成的。
结果与讨论
通过FE-SEM图像观察了纳米纤维的形态。从图1可以看出，纳米纤维表面光滑，钴纳米颗粒均匀分布在碳纤维表面。碳化纤维的平均直径以及分布在碳化纳米纤维上的颗粒的平均尺寸分别为259.2纳米和56.43纳米。
图2显示了沉积PVP-Co@C层后的样品横截面SEM图像。
结论
总结来说，我们制备了一种具有优异光学性能的PVP-Co@C纳米纤维/n-Si异质结光电探测器。使用不同强度的白光光源对器件的光响应进行了分析，发现随着光强度的增加，电荷分离过程持续进行。在150 mW/cm^2的白光条件下，我们获得了0.38 AW^-1的高响应度和9×10^10 Jones的探测灵敏度。
作者贡献声明
Hossein Mahmoudi Chenari： 负责撰写、审稿与编辑、原始稿件撰写、数据可视化、验证、项目监督、软件开发、资源管理、方法设计、数据整理及概念构思。
Roya Shokrani Havigh： 项目监督、方法设计、数据分析、数据整理及概念构思。
Sakir Aydo?an： 负责撰写、审稿与编辑、原始稿件撰写、数据可视化、验证、项目监督、软件开发及资源管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
