基于CdS/Sn纳米线超晶格的高性能光电探测器在加密通信中的应用

《Journal of Alloys and Compounds》：High-Performance Photodetectors Based on CdS/Sn Nanowire Superlattices for Encrypted Communication

通过化学气相沉积法成功合成CdS/Sn超晶格纳米线，结构分析显示周期性轴向排列，所建光探测器具有99.56 A/W高响应度、1.96×10^13 Jones检测度和10^5 ON/OFF比，在加密成像和光学通信中展现应用潜力。

　　

郭鹏飞|江宇聪|徐子通|吕启航|李旭阳|沈霞|王欣|耿露露|李国辉|余锦满

中国太原理工大学物理与光电学院，太原 030024

摘要

集成先进的加密技术对于满足当今严格的数据保护标准至关重要。为此，开发具有高响应度、高灵敏度和快速响应时间的光电探测器对于增强其在安全光通信中的应用至关重要。在这里，我们报道了一种用于大规模合成CdS/Sn超晶格纳米线的化学气相沉积（CVD）方法。结构表征显示，CdS和Sn沿着纳米线轴呈现出清晰的周期性排列。此外，基于这些超晶格纳米线的光电探测器表现出优异的光电性能，包括高响应度和高检测率。此外，这些高性能光电探测器还展示了出色的图像传感能力和加密成像能力，为未来的先进加密系统提供了有前景的方法。

引言

对透明数据处理的日益增长的需求迫切需要加强信息安全，这推动了可靠信息传输技术的持续创新。[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8] 光电探测器被广泛用于通过将光信号转换为电信号来实现数据传输。[9],[10],[11],[12],[13],[14] 然而，光通信、环境监测、成像技术和安全系统的快速发展需要开发高性能的光电探测器，特别是在响应度、灵敏度和响应时间方面。[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25] 因此，合成高质量的半导体材料对于满足这些要求变得至关重要。

异质结构工程是一种有效的策略，可以促进载流子的分离和传输，从而提高基于纳米线的光电探测器的性能，相比成分均匀的纳米线而言。[26],[27],[28],[29],[30],[31],[32],[33],[34],[35],[36] 例如，CdS/CdS_xSe_1-x异质结构纳米线的光电流响应大约是纯CdS器件的4倍，其响应度为118 A/W。[37] ZnS_xSe_1-x/ZnSe异质结构纳米线的响应度几乎是ZnSe基器件的1.5倍，其响应度为6.3 × 10⁵ A/W。[38> 另一项研究表明，钙钛矿CsPbCl?/CsPbI?超晶格纳米线的光电流响应大约是CsPbCl?器件的10倍，其响应度为49 A/W。[39] 尽管这些异质结构光电探测器具有高光响应和优异的性能，但由于设计复杂和操作限制等挑战，它们在光加密通信中的应用仍然有限。

在这项工作中，我们报道了一种用于合成CdS/Sn超晶格纳米线的CVD方法。结构表征显示，这些超晶格纳米线具有CdS和Sn的周期性轴向排列，并且具有优异的晶体质量。空间分辨的微光致发光光谱和2D PL映射图像进一步证实了超晶格的成功合成。基于这些纳米线制备的光电探测器表现出卓越的性能：响应度为99.56 A/W，检测率为1.96 × 10¹³ Jones，以及高I_ON/I_OFF比值为10⁵。此外，这些器件已成功应用于光通信和加密成像领域，表明它们在下一代光电通信系统中有广阔的应用前景。

材料合成

材料合成

一维CdS/Sn超晶格纳米线是通过水平管式炉（OTF-1200X）中的CVD方法合成的，实验装置的示意图见图S1（补充材料）。使用高纯度CdS粉末（Alfa Aesar，99.995%）和SnO₂粉末（Macklin，99.5%）作为前驱体，并将其放置在石英管（内径：24 mm，长度：50 cm）加热区中心的陶瓷舟中。一个Si基底（5 mm × 10 mm）也被放置在其中。

结果与讨论

CdS/Sn超晶格纳米线的生长机制如图1所示。最初，SnO₂在混合气体气氛（N₂/H₂）中与H₂反应。在高温条件下，前驱体SnO₂被还原为液态金属Sn（Sn的熔点为232 °C）并沉积在Si基底表面（图1a），[40] 同时产生的水蒸气被抽走。这些Sn液滴作为催化活性位点，促进了蒸汽Sn的吸附，从而实现了...

结论

总之，我们使用CVD方法成功合成了高质量的CdS/Sn超晶格纳米线。微观结构表征和成分分析证实，这些超晶格纳米线表现出明确的周期性结构变化。基于CdS/Sn超晶格纳米线制备的光电探测器展示了优异的光电检测性能，包括99.56 A/W的高响应度和1.96 × 10¹³ Jones的检测率。此外，这些器件还具备成像传感...

CRediT作者贡献声明

沈霞：监督、软件、数据管理。李旭阳：可视化、验证、方法学。耿露露：研究、形式分析。王欣：可视化、验证。余锦满：监督、研究。李国辉：可视化、验证。郭鹏飞：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资金获取、概念构思。徐子通：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证。江宇聪：撰写——审稿

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

P. G.、Y. J. 和 Z. X. 对这项工作做出了同等贡献。作者感谢国家自然科学基金（编号52373246）的财政支持。