Detektor UV Self-Powered Ultra-Cepat dan Tinggi Sensitivitas Menggunakan Array Nanomace SnO₂-TiO₂

Abstrak

Detektor ultraviolet self-powered (UVPD) berdasarkan sel fotoelektrokimia (PEC) telah menjadi titik penelitian karena biaya rendah, pembuatan sederhana, dan karakteristik respons cepat. Dalam karya ini, kami memperkenalkan array nanomace SnO₂-TiO₂, yang terdiri dari pipa nanotub SnO₂ dihiasi dengan cabang nanokristal TiO₂, disintesis melalui pendekatan kimia lembut. ketika digunakan sebagai fotoanoda dalam sel PEC berbasis air, detektor yang dihasilkan melebihi perangkat yang dibuat dari array SnO₂ polos. Sinergi pemisahan elektron-lubang yang dipercepat, luas permukaan yang diperluas, dan rekombinasi muatan yang berkurang yang dimiliki arsitektur inti-kulit SnO₂-TiO₂ menghasilkan responsivitas 0,145 A W⁻¹ pada 365 nm, waktu naik 0,037 detik, waktu turun 0,015 detik, dan selektivitas spektral yang luar biasa. Detektor foto self-powered yang ramah lingkungan ini adalah calon yang menarik untuk aplikasi sensing UV dengan sensitivitas tinggi dan kecepatan tinggi.

Latar Belakang

Detektor ultraviolet digunakan luas dalam bidang yang bervariasi dari pengendali jarak jauh dan analisis kimia hingga pemurnian air, deteksi nyala api, pemantauan plumbah ledakan, dan komunikasi ruang-ke-ruang yang aman [1]. Untuk menghilangkan filter lalur UV yang mahal dan mencapai operasi terblindakan cahaya terlihat, semiconductor bandgap lebar—terutama varian berstruktur nano seperti batang nano, kawat nano, pipa nano, dan cabang nano—telah dipelajari secara luas karena rasio luas permukaan-volume yang tinggi dan morfologi yang dapat disesuaikan [2–13]. Detektor foto PEC yang dibuat dengan struktur nano ini menunjukkan responsivitas yang tinggi dan respons transien cepat dibandingkan perangkat foto konduktif lapis tipis konvensional. Selain itu, arsitektur PEC melewati kebutuhan terhadap pertumbuhan epitaksial kompleks dan substrat kristal tunggal yang mahal, sehingga selaras dengan permintaan solusi optoelektronik yang terjangkau. Akibatnya, self-powered UVPD berdasarkan desain PEC telah menarik perhatian intens.

Self-powered UVPD awal menggunakan pasangan redoks I⁻/I₃⁻ dalam elektrolit cair [14–18] dan sering dikombinasikan dengan film nanokristal TiO₂ atau array batang nano TiO₂ multilayer [15, 21]. Meskipun metrik performa yang mengesankan dilaporkan, elektrolit I⁻/I₃⁻ berkorosi, mudah menguap, dan fotoreaktif, yang membatasi stabilitas jangka panjang. Elektrolit berbasis air menawarkan alternatif yang lebih aman, lebih stabil, dan ramah lingkungan. Misalnya, heterosemangi ZnO/CuO yang dikombinasikan dengan larutan Na₂SO₄ akuat menunjukkan kemampuan fotodeteksi UV-cahaya terlihat yang kuat [19], dan film TiO₂ yang dihubungkan dengan air mencapai fotosensitivitas tinggi dan respons cepat [20]. Namun, UVPD berbasis air umumnya memiliki responsivitas yang lebih rendah daripada sejenis I⁻/I₃⁻, sebagian besar karena mobilitas elektron TiO₂ yang moderat dan probabilitas rekombinasi elektron-lubang dalam elektrolit. Sebaliknya, SnO₂ memiliki mobilitas elektron tinggi, memfasilitasi transportasi elektron yang cepat ke kolektor TCO. Perkembangan terbaru telah menghasilkan struktur nano heterosemangi TiO₂/SnO₂ berkualitas tinggi untuk aplikasi optoelektronik [17, 22], mencapai performa luar biasa dalam UVPD yang menggunakan heterosemangi cabang TiO₂/SnO₂ dan elektroda bola mesopor SnO₂ @ TiO₂ [16, 17]. Namun, perangkat ini biasanya bergantung pada struktur nano yang tidak teratur. Array nanomace SnO₂-TiO₂ yang teratur dengan jalur transportasi elektron yang efisien diharapkan dapat meningkatkan performa fotodeteksi lebih lanjut.

Dalam studi ini, kami menyintesis array nanomace SnO₂-TiO₂ yang teratur (STNMAs) melalui rute kimia lembut dan merakit self-powered UVPD menggunakan array ini sebagai fotoanoda dan air sebagai elektrolit. Gambar 1 menunjukkan skematis STNMAs/H₂O UVPD. STNMAs yang berorientasi vertikal pada kaca FTO berfungsi sebagai elektroda aktif. Dibandingkan dengan perangkat pipa SnO₂ polos, detektor berbasis STNMA memberikan densitas arus foton yang lebih tinggi di bawah iradiasi UV. Kami mengevaluasi fotosensitivitas spektral, waktu respons, dan menyelidiki pengaruh durasi pertumbuhan cabang TiO₂ pada performa perangkat. STNMAs yang dioptimalkan menghasilkan responsivitas 0,145 A W⁻¹, waktu naik 0,037 detik, waktu turun 0,015 detik, dan selektivitas spektral yang luar biasa—semua sambil menggunakan elektrolit air yang hemat biaya, stabil, dan ramah lingkungan.

Metode

Sintesis Array Pipa SnO₂

Kaca FTO (2 cm×2 cm) dibersihkan secara ultrasonik dalam etanol dan air deionisasi selama 15 menit masing-masing, kemudian dikeringkan di udara. Film Sn 10 nm diendapkan melalui avapasi termal dan dianil pada udara pada 550 °C selama 1 jam untuk membentuk lapisan SnO₂ padat. Array batang nano ZnO berkualitas tinggi dibuat pada FTO yang dilapis SnO₂ melalui metode hidrotermal dua langkah, seperti yang dijelaskan sebelumnya [23]. Lapisan kulit SnO₂ ditanam pada batang nano ZnO melalui depoisi fasa cair: sampel FTO/ZnO direndam dalam larutan Na₂SnO₃ 0,2 M pada 60 °C selama 1 jam, kemudian diacut dalam 0,01 M HCl untuk menghapus cetakan ZnO, menghasilkan array pipa SnO₂ seragam (SNAs).

Sintesis Array Nanomace SnO₂-TiO₂

Cabang nanokristal TiO₂ ditanam pada pipa trunk SnO₂ melalui metode pertumbuhan kimia cair sederhana. Array pipa SnO₂ pada FTO direndam dalam larutan TiCl₄ 0,2 M pada suhu kamar selama 6, 12, 18, atau 24 jam untuk mencapai panjang cabang yang bervariasi. STNMAs yang dihasilkan dicuci dengan air deionisasi dan dianil pada 450 °C selama 30 menit.

Pemasangan Detektor UV

Detektor foto jenis PEC diriset secara analog dengan sel surya yang disensitifkan pekat [24]. STNMAs pada FTO berfungsi sebagai elektroda aktif, sementara film Pt 20 nm yang diendapkan pada FTO berfungsi sebagai elektrodalawan. Kedua elektroda dilekatkan satu sama lain dengan lapisan perekat 60 µm (SX-1170-60, Solaronix SA). Air deionisasi disuntikan ke dalam celah inter-elektroda, yang mendefinisikan area detektor efektif ~0,2 cm².

Karakterisasi

Struktur kristal diperiksa melalui difraksi X (XRD; XD-3, PG Instruments Ltd.) menggunakan radiasi Cu Kα (λ = 0,154 nm). Morfologi permukaan dikarakterisasi melalui mikroskopi elektron pemindaian emissi lapangan (FESEM; Hitachi S-4800) dan mikroskopi elektron transmisi (TEM; F-20, FEI). Transmisi optika diukur dengan spektrofotometer dual-bam UV-cahaya terlihat (TU-1900, PG Instruments). Respons spektral direkam menggunakan lampu Xenon 500 W (7ILX500) dengan monokromator (7ISW30). Pengukuran responsivitas menggunakan sourcemeter terprogram (2400, Keithley). Pengalihan respons foto dipantau pada stasiun kerja elektrokimia (RST5200, Zhengzhou Shirusi).

Hasil dan Diskusi

Citra FESEM mengungkapkan SNA yang tumbuh seragam, berorientasi vertikal dengan diameter 50–80 nm dan tebal dinding <10 nm, menghasilkan densitas ~30 pipa µm⁻². Ketika direndam dalam TiCl₄, trunk SnO₂ dihiasi dengan cabang nanokristal TiO₂, membentuk morfologi nanomace. Densitas dan panjang cabang meningkat seiring waktu pertumbuhan, mencapai konfigurasi optimal pada 18 jam. Melebihi 24 jam, cabang menjadi terus-menerus, mengurangi antarmuka TiO₂/elektrolit dan mengurangi performa.

Pola XRD (Fig. 2f) mengonfirmasi keberadaan fase rutil SnO₂ dan TiO₂ tanpa pengotor sekunder. Transmisi optika (Fig. 3a) menunjukkan tepi serap tajam di dekat 320 nm untuk FTO, dengan tepi yang beralih ke merah untuk STNMAs 12–24 jam, yang menunjukkan penyerapan TiO₂ yang ditingkatkan. Transmisi di bawah 305 nm turun ke nol, yang mendefinisikan batas respons UV. Cabang TiO₂ meningkatkan pencaran cahaya, mengurangi transmisi dalam rentang 400–550 nm.

Spektrum responsivitas (Fig. 3b) menunjukkan puncak 0,145 A W⁻¹ pada 365 nm untuk STNMAs 18 jam, yang sesuai dengan IPCE 49,2 persen. Nilai ini melebihi detektor PEC berbasis air yang dilaporkan dalam literatur [20, 23, 24]. IPCE yang tinggi berasal dari luas permukaan TiO₂ yang diperluas, penangkapan foton yang efisien, transportasi lubang yang cepat ke antarmuka TiO₂/air, dan pengumpulan elektron yang cepat melalui mobilitas elektron tinggi SnO₂. Perangkat dengan cabang 24 jam menunjukkan responsivitas yang berkurang karena jaringan yang terhubung membatasi kontak TiO₂/elektrolit.

Pengukuran arus foto berdasarkan waktu (Fig. 4) di bawah ilumini 365 nm (129 µW cm⁻²) menunjukkan pengalihan ON/OFF yang stabil dalam lima siklus. Waktu naik dan turun—0,037 detik (90 persen dari keadaan stabil) dan 0,015 detik (1/e decay)—cukup lebih cepat daripada banyak self-powered UVPD yang dilaporkan, menekankan dinamika transfer muatan yang cepat yang disediakan arsitektur inti-kulit.

Penyesuaian energi band (Fig. 5) menguraikan operasi perangkat: elektron yang fotoeksitasi di TiO₂ didorong ke SnO₂, di mana mobilitas tinggi mereka memfasilitasi transportasi ke kolektor FTO. Lubang bermigrasi ke permukaan TiO₂, bereaksi dengan OH⁻ dalam air untuk membentuk radikal OH·, sementara elektroda lawan Pt melambangkan reduksi spesies yang dioksidasi, menyelesaikan sirkuit dan memungkinkan operasi self-powered.

Kesimpulan

Kami berhasil memproduksi array nanomace SnO₂-TiO₂ melalui rute kimia lembut dan mengintegrasikannya ke dalam detektor UV self-powered dengan air sebagai elektrolit. Desain inti-kulit mempercepat pemisahan elektron-lubang, memperluas luas permukaan TiO₂, dan memanfaatkan mobilitas elektron tinggi SnO₂, culminating dalam IPCE 49,2 persen pada 365 nm—lebih dari sepuluh kali lipat dari perangkat pipa SnO₂ polos. Detektor ini juga memiliki waktu naik yang cepat (0,037 detik) dan selektivitas spektral yang luar biasa. Atribut-atribut ini menempatkan detektor foto berbasis STNMA sebagai platform yang menjanjikan untuk sensing UV dengan performa tinggi dan ramah lingkungan, dan arsitektur dasar dapat diperluas ke teknologi fotoelektrokimia lain seperti sel surya yang disensitifkan pekat dan produksi hidrogen fotoelektrokimia.

Singkatan

FTO

Oksida timah yang difluorinasi

IPCE

Efisiensi konversi foton insiden ke arus

PEC

Sel fotoelektrokimia

SEM

Mikroskopi elektron pemindaian

SNAs

Array pipa SnO₂

STNMAs

Array nanomace SnO₂-TiO₂

TEM

Mikroskopi elektron transmisi

UV

Ultraviolet

UVPDs

Detektor ultraviolet

XRD

Difraksi X