近日，清華大學(xué)-富士康納米科技中心李群慶研究員課題組報道了一種利用已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)的超順排碳納米管薄膜來制備高性能TiO2基紫外線探測器的新方法。利用超順排碳納米管薄膜作為支撐材料，制備得到了高質(zhì)量的 TiO2 納米線陣列，并實現(xiàn)了紫外波段1.35 × 1016 Jones 的比探測率。

       這種獨特的微納米形貌不僅極大的增強(qiáng)了TiO2材料的紫外探測表現(xiàn)，還被證明了具備獨特的偏振探測性能，這也為其在空間紫外線監(jiān)測的應(yīng)用方面奠定了良好的基礎(chǔ)。相關(guān)工作以題為“Highly Efficient Visible-Blind Ultraviolet Photodetector Based on Scalably Produced Titanium Dioxide Nanowire Arrays”的研究論文發(fā)表在Nano Letters上。

       目前，高質(zhì)量紫外線監(jiān)測材料的制備成本依然是業(yè)界主要關(guān)心的問題之一。這里，TiO2材料以磁控濺射的方式制備在懸空結(jié)構(gòu)的超順排碳納米管薄膜上。一方面，這種制備方法成本可控，并與目前的半導(dǎo)體工藝相容，最大程度上控制了紫外線監(jiān)測所需寬禁帶半導(dǎo)體材料的制備成本。另一方面，超順排碳納米管薄膜的引入為TiO2材料帶來了優(yōu)異的表面微納米結(jié)構(gòu)，可以有效的增強(qiáng)紫外光在材料表面的吸收和散射，減少光在表面的反射損失，從而增強(qiáng)這種材料在紫外波段的探測表現(xiàn)。

圖1 制備得到的TiO2納米線陣列及其微觀細(xì)節(jié)表現(xiàn)

       以此方法制備得到的TiO2納米線陣列的表面積得到了極大的增加，這也直接反映在這類器件的紫外線監(jiān)測表現(xiàn)上。在功率為7 μW/cm2的365 nm紫外光輻照下，其光探測率可以達(dá)到7.7 × 103 A/W，并可以實現(xiàn)1.35 × 1016 Jones的比探測率和2.6 × 104的光增益。另一方面，這種優(yōu)異的紫外光監(jiān)測性能也得益于這種獨特的納米線陣列結(jié)構(gòu)，光生載流子沿著TiO2納米線的排布以近似彈道輸運的方式傳輸，也為高質(zhì)量紫外線監(jiān)測提供了幫助。

圖2 TiO2納米線器件紫外線監(jiān)測示意圖及性能表現(xiàn)

       此外，由于此種TiO2納米線陣列可以實現(xiàn)懸空制備，這就使得這種材料可以很好的適應(yīng)各種類型的硬質(zhì)和柔性襯底，實現(xiàn)不同襯底上的高質(zhì)量紫外線監(jiān)測器制備。實驗表明，在柔性的PI襯底上，這種類型的紫外線監(jiān)測器可以耐受上萬次的各種類型彎折，并保持紫外線監(jiān)測性能不變。這也為紫外線監(jiān)測在可穿戴設(shè)備上的實現(xiàn)提供了一種解決方案。

       進(jìn)一步，由于如此制備的TiO2納米線具備一維準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)，從而在線偏振態(tài)的入射光條件下，其光電響應(yīng)隨入射光偏振態(tài)的變化呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦變化。這種偏振紫外線監(jiān)測在偏振源識別、環(huán)境監(jiān)測、偏振成像和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價值。通過檢測和分析紫外線輻射中的光的偏振狀態(tài)，可以獲得更豐富的信息，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供支持。

圖3 PI襯底上的紫外線監(jiān)測器件制備及其耐久性測試，TiO2納米線陣列的偏振紫外線監(jiān)測測試

       綜上所述，利用超順排碳納米管作為支撐材料，該項工作發(fā)展出了一整套的TiO2納米線陣列制備方法，實現(xiàn)了高質(zhì)量TiO2材料的低成本、可控大面積制備。這種TiO2納米線陣列體現(xiàn)出了更高的結(jié)晶程度和均一的表面微納米結(jié)構(gòu)，這也使得其紫外監(jiān)測性能有了極大的提升。在這里，超順排碳納米管薄膜被第一次應(yīng)用于TiO2納米線的制備工藝流程中，利用其已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化制備的優(yōu)勢，也為以此方法制備的半導(dǎo)體納米線材料提供了較好的應(yīng)用基礎(chǔ)。同時，這種制備思路的提出和驗證也將進(jìn)一步的拓展超順排碳納米管薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域。

       原文：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01383