Фотоэлектрические свойства многослойных нанопленок Bi2O2Se в ближнем инфракрасном диапазоне
Аннотация
Фотоэлектрические свойства многослойного Bi 2 в ближней инфракрасной области (NIR) О 2 В данной работе систематически изучались нанопленки Se. Многослойный Bi 2 О 2 Нанопленки Se демонстрируют чувствительный фотоотклик к NIR, включая высокую светочувствительность (~ 101 A / W), быстрое время отклика (~ 30 мс), высокую внешнюю квантовую эффективность (~ 20300%) и высокую скорость обнаружения (1.9 × 10 10 Джонс). Эти результаты показывают, что устройство на основе многослойного Bi 2 О 2 У нанопленок Se может быть большой потенциал для будущего применения в сверхбыстрых, высокочувствительных оптоэлектронных устройствах NIR.
Фон
Инфракрасные (ИК) фотодетекторы широко исследуются и изучаются с момента их тонкого применения в военной, коммерческой, общественной и академической областях [1,2,3]. В последнее десятилетие двумерные (2D) материалы, например графен, дихалькогениды переходных металлов (TMD) и черный фосфор, стали многообещающими кандидатами с большим потенциалом для инфракрасных приложений [4,5,6,7,8 , 9]. Благодаря интригующим свойствам 2D-материалов, включая сверхтонкую толщину, высокую механическую гибкость, подходящую и настраиваемую ширину запрещенной зоны, сверхбыстрые оптоэлектронные характеристики и легко настраиваемые гетероструктуры Ван-дер-Ваальса, 2D-слоистые материалы считаются конкурентоспособными ИК-средами для следующего поколения. фотоприемники [10,11,12].
Совсем недавно слоистый оксиселенид висмута (Bi 2 О 2 Se) был открыт как многообещающий двумерный полупроводник с высокой подвижностью электронов, сверхбыстрым фотоответом, превосходной экологической стабильностью и легким доступом к крупному производству с помощью простого метода химического осаждения из паровой фазы (CVD), что делает его привлекательным для электронных и оптоэлектронных приложений [7, 8, 13,14,15]. Ранее He Jun et al. [7] и Peng Hailin et al. [8] последовательно сообщили, что Bi 2 О 2 Se обладал превосходными фотоэлектрическими свойствами в ближней инфракрасной области (NIR). Однако в основном их беспокоит тонкослойный Bi 2 О 2 Se (толщина ~ 7 нм). Предыдущие исследования в отношении других 2D-материалов, таких как MoS 2 [16] и MoSe 2 [17, 18] показали, что многослойные нанофлейки также обладают исключительными фотоэлектрическими характеристиками по сравнению с монослойными или тонкими слоями. Фактически, многослойный Bi 2 О 2 Se может быть более привлекательным, чем тонкослойный Bi 2 О 2 Se для полевых транзисторов в конфигурации тонкопленочных транзисторов (TFT) [16, 19]. Например, плотность состояний в многослойном Bi 2 О 2 Se намного выше, чем в тонкослойном Bi 2 О 2 Se, который может создавать значительно большие токи возбуждения в баллистическом пределе [13, 14]. В длинноканальных TFT можно создать несколько проводящих каналов с помощью полевых эффектов в многослойном Bi 2 О 2 Se, который может увеличивать ток в транзисторах TFT, аналогично МОП-транзисторам с кремнием на изоляторе [19]. Кроме того, многослойный Bi 2 О 2 Se предлагает более широкий спектральный отклик, чем тонкослойный Bi 2 О 2 Se из-за его более узкой запрещенной зоны, что может быть полезно в различных применениях фотодетекторов [20]. Тем не менее, многослойный Bi 2 О 2 Фотодетекторы на основе Se не были широко изучены для использования в электронике или оптоэлектронике.
Следовательно, фотоэлектрические свойства многослойного Bi 2 в ближнем ИК-диапазоне О 2 Se (толщина ~ 30 нм) систематически исследовались в данной работе. Многослойный Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе Se демонстрирует сверхчувствительный фотоотклик от 850 до 1550 нм с хорошей воспроизводимостью при комнатной температуре. Его светочувствительность достигает 101 А / Вт на длине волны 1000 нм, наряду с быстрым временем нарастания и временем затухания 30 мс и 60 мс соответственно. По сравнению с тонкослойным Bi 2 О 2 Se, многослойный Bi 2 О 2 Se имеет более высокую светочувствительность и внешнюю квантовую эффективность, но при этом сохраняет относительно быстрое время отклика и высокую скорость обнаружения. Кроме того, фототок имеет линейную зависимость от падающей мощности, что обеспечивает хорошую возможность настройки для многоцелевых приложений. Эти результаты открывают возможности для разработки следующего поколения сверхчувствительных высокопроизводительных фотодетекторов NIR для комнатной температуры.
Методы
Рост и характеристика Bi 2 О 2 Se
Би 2 О 2 Нанопленки Se были синтезированы методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Би 2 О 3 и Bi 2 Se 3 (Alfa Aesar) были расположены в центре горизонтальной трубчатой печи (Lindberg / Blue M), а слюдяные подложки (Tiancheng FluorphlogoITE Mica Company Ltd., Китай) были размещены ниже по потоку в качестве подложек. Сначала печь была нагрета до 640 ° C со скоростью подъема 30 ° C мин -1 . и выдерживали 60 мин в потоке газообразного аргона. Наконец, печь естественным образом остыла до комнатной температуры. Синтезированные образцы охарактеризованы с помощью оптического микроскопа (Olympus BX51), рамановского спектра (WiTec 300R), атомно-силового микроскопа (полуконтактный режим, компания NT-MDT), растрового электронного микроскопа (компания FEI). Здесь 10-нм алюминий был сначала термически испарен, чтобы избежать эффекта заряда слюдяной подложки перед исследованием с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Изготовление устройства
Фотоприемник на основе многослойного Bi 2 О 2 Se был изготовлен по стандартной микронано технологии. Контакты истока и стока определялись электронно-лучевой литографией с последующим нанесением металлической стопки 5 нм Cr / 50 нм Au с использованием испарения электронным пучком. Обратите внимание, что для предотвращения накопления заряда на подложке из слюды во время процесса EBL, проводящий полимерный фоторезист (SX AR-PC-5000) был нанесен методом центрифугирования на слюду перед процессом EBL. Наконец, устройство было прикреплено к держателю чипа для дальнейших фотоэлектрических измерений.
Оценка эффективности
Измерения фототока проводились с помощью самодельной ксеноновой лампы (источник света:BETICAL HDL-II) фотодетекторной платформы. При измерении использовался Keithley 2450 для подачи смещения исток – сток. Путем включения / выключения света собирались токи стока в состояниях включения / выключения. Фотоэлектрический отклик устройства на разных длинах волн (850–1550 нм) может быть получен путем замены различных фильтров.
Результаты и обсуждение
Как показано на рис. 1а, слоистый Bi 2 О 2 Se показывает тетрагональную структуру с пространственной группой I4 / mmm и состоит из плоских ковалентно связанных оксидных слоев (Bi 2 О 2 ), зажатый квадратными массивами Se с относительно слабыми электростатическими взаимодействиями [21]. Такая структура похожа на слюду. Следовательно, двумерный Bi 2 О 2 Все нанопленки Se синтезируются на слюдяной подложке методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) [7, 14, 15]. На рис. 1b показан крупный оптический вид выращенного многослойного Bi 2 . О 2 Се нанопленки на слюде. Хорошо видно, что нанопленки имеют однородную форму и почти прямоугольную форму. Изображения Bi 2 с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) О 2 Нанопленки Se в нашем эксперименте показаны на рис. 1в. Согласно теоретической толщине монослоя (≈ 0,61 нм) [14, 15], 30 нм (рис. 1г) равняются толщине около 49 слоев. На рисунке 1e показаны рентгенограммы Bi 2 . О 2 Се нанопленки. Все различимые пики приписываются (00l) дифракционным плоскостям Bi 2 О 2 Se (кристаллическая ориентация вдоль c -axis), что согласуется с предыдущими исследованиями [14]. Характеристика A 1g пик Bi 2 О 2 Se находится при ≈ 159,1 см −1 . в спектре комбинационного рассеяния света (рис. 1f), что хорошо согласуется с предыдущими сообщениями [22]. На рисунке 1g показана типичная ВАХ Bi 2 . О 2 Se устройство. Отличная линейная кривая ВАХ указывает на образование омических контактов. Кроме того, 2D Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе селена демонстрирует превосходную устойчивость к окружающей среде, что является ключевым показателем для будущих практических приложений [14, 15]. На рис. 1h измеренная длина и ширина устройства составляют 29 мкм и 91 мкм соответственно.
Характеристика слоистого Bi 2 О 2 Се нанопленки. а Схема слоистого Bi 2 О 2 Кристаллическая структура Se. Оранжевый шар:Би. Красный шар:O. Желтый шар:Se. б Типичное оптическое изображение выращенного Bi 2 О 2 Се нанопленки на слюде. c АСМ изображение многослойного Bi 2 О 2 Се нанопленки. г Соответствующая информация о высоте. Толщина ~ 30 нм. е Картины XRD. е Рамановский спектр возбуждали лазером с длиной волны 532 нм. г Выходные характеристики многослойного Bi 2 О 2 Устройство Se, демонстрирующее отличную устойчивость к окружающей среде даже на воздухе в течение 3 месяцев. На вставке - оптическое изображение устройства. ч СЭМ изображение многослойного Bi 2 О 2 Se нанопленки, демонстрирующие информацию о наноструктуре этого материала. На вставке - увеличенное изображение, полученное с помощью SEM
Как показано на рис. 2а, фотоэлектрический отклик многослойного Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе Se в ближнем ИК-диапазоне был намеренно измерен. Здесь мы в основном обсуждаем характеристики устройства в телекоммуникационном диапазоне (1550 нм), который широко применяется в военной, коммерческой, общественной и академической сферах. Из рис. 2b видно, что I DS очевидно, растет с увеличением интенсивности света. Более того, ВАХ устройства при освещении не демонстрирует кажущееся напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Этот факт указывает на то, что барьер Шоттки, образованный между электродом и материалом, не играет решающей роли в транспортных характеристиках устройства. Следовательно, фотоэлектрический отклик материала должен в основном происходить из-за эффекта фотопроводимости [10].
Фотоэлектрический отклик на телекоммуникационный диапазон (длина волны 1550 нм) многослойного Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе Se. а Схематический трехмерный вид Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе селена при освещении. б ВАХ Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе Se при разной интенсивности света. c Поведение Bi 2 в зависимости от времени фотоответа О 2 Се устройство при освещении светом 1550 нм ( P =0,26 мкВт). На вставке - сверхбыстрый фотоотклик устройства. г Фототок и светочувствительность Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе селена при разной интенсивности света
Чтобы оценить работу фотоприемников, светочувствительность ( R ), внешний квантовый выход ( η ) и обнаруживающая способность ( D * ) являются критическими параметрами, которые можно рассчитать по следующей формуле [10, 17]:
$$ R ={I} _ {ph} / PS $$ (1) $$ \ eta \ left (\ lambda \ right) ={R} _ {\ lambda} hc / q \ lambda $$ (2) $ $ {D} ^ {\ ast} ={I} _ {ph} / P {\ left (2 qS {I} _d \ right)} ^ {1/2} $$ (3)где I ph фототок (разница тока стока между освещенными ( I я ) и темный ( I d ) состояния), P интенсивность света, S эффективная площадь, h постоянная Планка, c - скорость света, λ - длина волны света, а q электронный заряд. Здесь мы предполагаем, что темновой ток является основным источником дробового шума, таким образом выводим уравнение (3) [7]. Это упрощение было использовано для оценки фотоотклика двухмерных слоистых материалов, таких как графен [23] и WSe 2 [24].
Как видно из рис. 2c, устройство имеет очень стабильный и воспроизводимый фотоотклик на свет 1550 нм после нескольких циклов. Его время отклика чрезвычайно быстрое и может достигать 30 мс по нарастанию и 60 мс по спаду соответственно. Это связано с тем, что выращенный ультратонкий Bi 2 О 2 Нанопленки Se не имеют поверхностных состояний ловушек и неглубоких уровней энергии дефектов. Наконец, как показано на рис. 2d, I ph монотонно увеличивается с увеличением P, следуя соотношению I ~ P α . Здесь α получается равным 0,99 для Bi 2 . О 2 Se путем подгонки экспериментальных данных, предполагая, что фототок в основном определяется количеством поглощенного фотона [7]. Светочувствительность многослойного Bi 2 О 2 Фотоприемники на основе Se составляют около 68 А / Вт, что демонстрирует чрезвычайно высокие характеристики в качестве фотоприемника.
Затем характеристики фотоэлектрического отклика многослойного Bi 2 О 2 Систематически исследовались фотоприемники на основе селена в ближнем ИК диапазоне (850–1550 нм). Согласно расчету по формулам (1) - (3), светочувствительность, внешняя квантовая эффективность и обнаруживающая способность показаны на рис. 3. Можно обнаружить, что устройство имеет очень высокую светочувствительность к ближнему ИК-диапазону, которая достигает 101A. / Вт (900 нм). Кроме того, многослойный Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе Se имеет сверхвысокую η , которая превышает 20 000% на длине волны 850 нм, что указывает на его превосходную способность к фотоэлектрическому преобразованию. Его скорость обнаружения может достигать 1,9 × 10 10 . на 900 нм, демонстрируя идеальное соотношение сигнал / шум в качестве фотодетектора. В наших измерениях темновой ток устройства всегда поддерживается на относительно стабильном значении (0,5 мкА). Таким образом, тенденция D * (как функция длины падающей волны) аналогична тенденции R . Очевидно, по сравнению с тонкослойным Bi 2 О 2 Se сообщил Ref. [7] и Ref. [8], многослойный Bi 2 О 2 Se имеет более высокую фотоэлектрическую чувствительность и внешнюю квантовую эффективность (напряжение смещения исток-сток, 1 В, что такое же, как в [7] и [8]), но при этом сохраняет относительно быстрое время отклика и высокую скорость обнаружения. Примечательно, что Ref. [8] сообщили только о собственном времени отклика (1 пс) материала методом накачки-зондирования, но без времени отклика устройства Bi 2 О 2 Фотоприемники [8].
Фотоэлектрические характеристики многослойного Bi 2 в ближнем ИК-диапазоне О 2 Фотоприемник на основе Se. а Фотоочувствительность, b внешняя квантовая эффективность, и c обнаруживающая способность как функция длины волны ближнего ИК-диапазона
В общем, двухмерные слоистые материалы еще не показали такой высокой чувствительности в ближнем ИК диапазоне. Например, дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) обычно имеют слишком большую ширину запрещенной зоны для обнаружения ИК-света [17], в то время как для графена он показывает высокоскоростной фотоотклик, но очень низкую внутреннюю чувствительность, менее десятков мА / Вт [25]. Хотя светочувствительность может быть улучшена путем изготовления атомных гетероструктур [26,27,28], она по-прежнему не работает идеально при детектировании в ближнем инфракрасном диапазоне. По сравнению с другими 2D-материалами (Таблица 1) многослойный Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе Se демонстрирует более высокие фотоэлектрические характеристики, особенно при высоком R . и высокий η . Примечательно, что если химическое травление применялось для оптимизации геометрии многослойного Bi 2 О 2 С помощью нанопленок [15] характеристики устройства могут быть дополнительно улучшены.
Физический процесс фотоотклика Bi 2 О 2 Фотоприемники на основе Se можно пояснить простой диаграммой энергетических зон (рис. 4а). Без освещения и без смещения стока устройство находится в равновесном состоянии и ток в канале отсутствует. Освещение устройства ближним инфракрасным светом приведет к поглощению света и возбуждению электронно-дырочных пар, которые можно извлечь, применив смещение сток-исток [29,30,31]. Поскольку барьер Шоттки в Bi 2 О 2 Контакт Se-металла очень низкий, фотогенерированные носители заряда могут легко пройти через барьер [16,17,18]. Следовательно, многослойный Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе Se показал отличные фотоэлектрические характеристики.
Физический механизм многослойного Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе Se. а Поведение фотогенерированных носителей заряда многослойного Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе Se. Здесь E F - энергия уровня Ферми, E C - минимальная зона проводимости, E V - максимальная валентная зона. б Процесс рекомбинации («включено» состояние «выключено») Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе Se. Здесь CB - зона проводимости, CV - валентная зона, E vac - энергия вакуума, EA - электронное сродство
Важно отметить, что следует обсудить механизм улучшенных фотоэлектрических характеристик. Теоретически оптическая адсорбция многослойного Bi 2 О 2 Se выше, чем в тонкослойном Bi 2 О 2 Se, который может вызывать более высокие фототоки I ph [14, 20]. Падающая мощность P (x) как функция расстояния x можно выразить как P (x) =P в · e −α · x , где α коэффициент поглощения Bi 2 О 2 Нанопленки Se при энергии падающих фотонов. Количество энергии, поглощаемой пластиной из Bi 2 О 2 Se толщиной Δx на расстоянии x от поверхности - dR а =- (dP / dx) · Δx . Тогда полная мощность, потребляемая Bi 2 О 2 Пленка Se толщиной d равно R а =P в · (1 - e −α · d ). Для α · d <<1, поглощенную мощность можно записать как R а =P в · α · d [16, 19]. Здесь толщина d в нашем эксперименте в 5 раз и в 3 раза больше, чем в реф. [7] и Ref. [8] соответственно. По сути, многослойный Bi 2 О 2 У Se нанопленок в нашей работе было бы лучше R . Однако, хотя с увеличением оптической адсорбции, многослойный Bi 2 О 2 Se имеют некоторые недостатки, такие как более высокая плотность состояний (DOS), что приводит к появлению большего количества состояний со средней щелью по сравнению с монослоем (или тонким слоем) [13, 14]. Как показано на рис. 4b, когда устройство переходит из «включенного состояния» в «выключенное», возбужденные электроны в более высоких полосах многослойного Bi 2 О 2 Se сначала перейдет в состояния средней щели, а затем вернется в основную зону [16, 17, 19]. Другими словами, время жизни носителя τ неизбежно будет склоняться. Такая же ситуация возникнет, когда устройство перейдет из «выключенного состояния» в «включено». Интересно, что по сравнению с предыдущей работой многослойный Bi 2 О 2 Нанопленки Se по-прежнему имеют быстрое время отклика, которое удовлетворяется во многих приложениях [1,2,3]. Это означает, что наличие состояний со средним зазором не может отрицательно сказаться на динамических характеристиках Bi 2 О 2 Се нанопленки. Наконец, для значительного улучшения η , две основные причины играют решающую роль. Во-первых, увеличенные слои улучшают поглощение падающих фотонов. Кроме того, наличие состояний средней запрещенной зоны позволяет использовать больше каналов перехода для возбужденных электронов. Таким образом, η значительно увеличивается [16, 19].
Выводы
Таким образом, мы представили фотоэлектрические свойства многослойного Bi 2 О 2 Фотоприемник на основе Se (толщина ~ 30 нм). Многослойный Bi 2 О 2 Se демонстрирует сверхчувствительный фотоотклик от 850 до 1550 нм с хорошей воспроизводимостью при комнатной температуре, включая высокую светочувствительность, быстрое время отклика, высокую внешнюю квантовую эффективность и высокую скорость обнаружения. Результаты показывают, что многослойный Bi 2 О 2 У Se относительно лучший фотоотклик, чем у тонкослойного.
Доступность данных и материалов
Все данные полностью доступны без ограничений.
Сокращения
- NIR:
-
Ближний инфракрасный порт
- IR:
-
Инфракрасный
- TFT:
-
Тонкопленочный транзистор
- AFM:
-
Атомно-силовой микроскоп
- SEM:
-
Сканирующий электронный микроскоп
- CVD:
-
химическое осаждение из паровой фазы
- TMD:
-
Дихалькогениды переходных металлов
Наноматериалы