Carbon:一种自组装方法,实现水平对齐单壁碳纳米管的极化VisNIR光电探测器

作者:红外芯闻 / 微信号:infrarednews 发布日期:2018-12-06

引言
作为准一维材料,单个单壁碳纳米管由于其各向异性的电子,热和光学性质而被广泛研究。然而,尽管先前已经努力生产对准的纳米管和相关器件的大规模架构,但这些性质的宏观表现仍然有限。在这项工作中,通过自组装制备了对齐的单壁碳纳米管(SWCNT)的大单畴膜。十二烷基苯磺酸钠和脱氧胆酸钠同时用作表面活性剂以分散自对准SWCNT,然后碳纳米管薄膜与最大LDr高度对齐大约1.6。此外,制造了SWCNTs-Au异质结光电探测器,并且表现出增强的本征偏振相关光电流以及各向异性电导率。为了提高器件的响应度,使用肼作为N-掺杂材料,通过跨越可见光(405 nm)到近红外(980 nm)的宽带光谱响应获得高达292.5 mA / W的检测器响应度,这是远高于前SWCNT光电探测器。该方法提出了自发对齐的SWCNT的潜在应用,用于内置偏振测量的高效,低成本,可扩展的Vis-IR检测。

图形概况
在这里,我们报告了一种自组装方法来实现水平对齐的SWCNT,它提供了一个均匀的,晶片级的SWCNT薄膜,具有高度对齐。制作了基于对准的SWCNT膜的SWCNTs-Au异质结检测器。此外,将肼掺杂到SWCNT中以改善器件响应性。然后,我们对SWCNTs-Au异质结的光响应进行了全面的研究,重点是原始和N2H4掺杂器件的波长依赖性和偏振测量。简而言之,在原始和N2H4掺杂器件中分别观察到6.5mA / W和292.5mA / W的响应度,宽带光谱响应跨越可见光(405nm)至近红外(980nm)。
结果与讨论
在图1中,可以发现两个薄膜都是密集的,并且薄膜内的各个SWCNT都彼此对齐,形成全局有序的结构。无论是PVP的浓度还是DOC / SDBS的浓度过剩,均衡将被破坏,导致不存在2D限制,并且一定量的SWCNT只能与固定量的SDBS(DOC)和PVP结合。当SDBS被添加到SWCNT / DOC时,PVP层和SDBS之间的静电排斥的新力将与原始的两个力相互作用。由于DOC和SDBS的分子量不同,它们的特定匹配将比单独的DOC获得更好的比对。更重要的是,在我们的50片SWCNTs薄膜样品中,最大的S为0.54。相反,先前报道的单一表面活性剂的S低于0.4。

图1 由SWCNT(a)制成的取向膜的SEM图像分散在SDBS / DOC表面活性剂中。(b)分散在DOC表面活性剂中。插图是对准的SWCNT膜的吸收光谱(LDr在400nm下计算)。平行线是指当光与纳米管排列方向平行时,排列的SWCNT膜的吸收光谱。垂直线是指当光从纳米管排列方向垂直20μm时,对准的SWCNT膜的吸收光谱。
用于测量偏振相关吸收光谱和光电响应的装置和光路如图2(a)所示。在到达样品之前,用线性偏振器使光偏振。为了明确地呈现实验数据,我们使用“旋转角度”来表示光的偏振方向与SWCNT对准之间的角度。通过旋转样品实现角度的改变。图2(b)显示了对准的碳纳米管器件的结构,其中十字形Au电极沉积在SWCNT膜上。从扫描电子显微镜(SEM)清楚地看出,薄膜被密集地包装和对齐。获得350nm至1000nm的宽带吸收光谱,如图1所示。
图2 基于宏观排列的碳纳米管的Vis-NIR光电探测器(a)器件几何结构示意图,显示由对准的薄膜制成的光电探测器。(b)装置和插图的光学图像是装置的通道的SEM图像。疤痕棒10微米。(c)当电流平行且垂直于CNT取向方向时器件的电压 - 电流关系,显示出极其各向异性的电导率。(d)观察到器件的偏振相关光电流。该角度在偏振和纳米管排列方向之间。
图3 (a)在不同激光波长下的SWCNTs-Au异质结样品的光电流。(b)响应度作为532nm照射的函数。(c)SWCNT-Au光电探测器的时间光电流响应。照度为230μW,激光波长为532nm。(d)光电流随波长450nm,660nm和980nm处的偏压的变化曲线。
对于原始的SWCNT,光响应很低。我们在SWCNTs薄膜中加入了肼(n型掺杂)来解决这个问题。对于掺杂样品,用去离子H2O稀释肼溶液,然后将溶液滴滴加到原始碳纳米管中。为了确定氮已成功掺入CNTs,在相同条件下获得了原始样品和N2H4掺杂样品的拉曼光谱。

图4 (a)原始SWCNT(黑线)和N2H4掺杂的SWCNT(红线)的拉曼光谱。(b)SWCNTs-Au异质结样品的光电流响应作为N2H4浓度的函数。照度为230μW,激光波长为532nm。(c)作为532nm照射的函数的N2H4掺杂的SWCNT(65wt%)的响应性。(d)对Pristine SWCNT和N2H4掺杂的SWCNT观察到的偏振相关光电流。该角度在偏振和纳米管排列方向之间。
由于我们的SWCNT是金属和半导体SWCNT的混合物。发现金属SWCNT与Au形成欧姆接触(图2(b))。预期混合通道的光响应来自具有与Au的适当带对准的半导体SWCNT。假设SWCNT,N掺杂SWCNT和Au的功函数分别为4.7 eV,3.9 eV和5.42 eV。由于Au的功函数大于SWCNT或N掺杂SWCNT的功函数,因此接触起到有效的空穴掺杂作用,导致相对较重的p掺杂使SWCNT更接近Au,而较轻的p掺杂使SWCNT更远。

结论
在这项工作中,我们发现高度对齐的SWCNT可以使用DOC和SDBS的仔细平衡混合在相对简单的过程中自组装。基于对准的SWCNT的光电探测器可以通过N2H4进行N掺杂,以在从可见光到近红外的宽光谱范围内实现宽带光电探测,具有异常高的响应度。获得的最大响应度为292.5mA / W,比基于类似SWCNT的探测器的响应度高出许多倍。光伏效应和PTE效应是观察到的优异光响应的潜在机制。此外,自对准SWCNT探测器具有内置偏振测量,这是在下一代传感器的开发中追求的非常期望的附加功能。
参考文献:Polarimetric Vis-NIR photodetector based on self-aligned single-walled carbon nanotubes

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