通过一步法液体中激光烧蚀制备多孔BixSy/Si光电探测器的简便工艺

用微小多孔薄膜将光转换为信号

从手机相机到光纤网络，现代生活依赖于能够感知微弱光闪并将其转换为电信号的器件。本文探讨了一种制造此类光传感器（称为光电探测器）的简便方法，采用一种相对安全且地壳丰产的材料，并展示了在制备过程中通过调节激光参数如何显著提升器件性能。

温和的矿物，强大的才能

研究以硫化铋为核心，这是一种自然界存在的化合物，属于一类以高效吸光且毒性较低著称的材料。硫化铋特别擅长吸收可见光和近红外光——这些波段广泛应用于成像和通信技术。它的能带宽度处于一个有利区间，使其在太阳能电池和光电探测器中具有良好潜力。早期研究表明，通过将该材料缩小到纳米尺度或稍微改变其组成，研究人员可以调控其吸收和发光特性。难点在于如何在不依赖复杂昂贵工艺的情况下，制备出洁净且可控的结构。

在烧杯中用激光制造纳米海绵

研究团队没有采用传统的高温炉或化学浴，而是使用了一种称为脉冲激光液体烧蚀的技术。他们将一颗固体铋靶放在浅层的硫脲溶液底部——该溶液为体系提供硫原子——并用短脉冲、高强度的绿光激光照射靶材。每一次脉冲都会将表面原子击入液相，这些原子在液体中遇到硫并迅速形成微小的硫化铋颗粒。通过保持脉冲次数不变而改变激光能量，研究人员能够调控受蚀量及颗粒的生长方式。所得颗粒随后旋涂到硅片上形成薄涂层，在硅片表面形成多孔、海绵状的层。

从海绵状薄膜到光感芯片

显微图像显示，这些涂层并非光滑薄膜，而是由孔隙与薄壁构成的复杂三维网络，孔径在数十纳米尺度。某一特定激光能量下，薄膜呈现出近80%表面覆盖的高度均匀的互连空腔格局。这种结构创造了极大的内部面积，可捕获并吸收光子，同时产生电荷。测量结果证实所得材料为晶态硫化铋，且随激光能量提升其内部有序程度增强。光学测试显示，薄膜的吸收边随激光能量略有移动，表明纳米颗粒的尺寸与排列以及轻微的成分偏差会微妙地改变材料与光相互作用的方式。

构建与测试光电探测器

为了将这些薄膜制成工作光电探测器，研究人员将多孔硫化铋层夹在顶部金属电极与下方硅片之间，硅片背面设置另一金属电极。当光照射到多孔层时，会产生一对对电荷，这些电荷在硫化铋与硅的界面被分离并被带向电极。通过测量在不同颜色与强度光照下的电流，团队评估了各器件的响应性。他们发现，以中等激光能量制备的器件表现出随光强近线性增长的强电流响应，对紫外和近红外光显示出高灵敏度，并在光暗切换时具有快速响应。关键性能指标——响应度、探测率与外量子效率——达到了可与或优于许多用更复杂方法制备的硫化铋器件相媲美的水平。

这对未来传感器意味着什么

简而言之，该研究表明，通过在简单液体中用激光精确轰击金属，可以制得精细的“纳米海绵”，它们在捕获光并将其转换为电信号方面表现优异。通过调节激光强度，研究人员可以控制薄膜的内部结构，从而调控最终探测器的性能。本工作中性能最佳的器件在宽波段内具有高灵敏度，响应与恢复时间为分数秒级，并在多日操作中保持稳定。由于该方法相对直接，使用无毒的吸光材料，且不需要额外的热处理或催化剂，这为成像、通信与低功耗光学检测应用提供了一条可负担、可放大的光传感器途径。

引用: Ahmed, A.M., Ramizy, A., Ismail, R.A. et al. Facile fabrication of porous Bi_xS_y/Si photodetectors by one step laser ablation in liquid. Sci Rep 16, 8047 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37668-8

关键词: 硫化铋光电探测器, 脉冲激光液体烧蚀, 多孔纳米结构薄膜, 硅异质结器件, 宽带光感应