УФ-видимый фотодетектор на основе гетероструктуры I-типа ZnO-QD / монослоя MoS2

Основные моменты

1. 1.

   Однослойный MoS ₂ показал отличные фотоответы.

2. 2.

   ZnO-QDs / MoS ₂ гибридное устройство демонстрирует более высокую скорость отклика, расширенный диапазон широкополосного фотоотклика и улучшенный фотоотклик в видимом спектре.

3. 3.

   Гетероструктура I-типа в контактном интерфейсе ZnO-QDs / MoS ₂ .

Введение

Широкополосные фотодетекторы являются важными компонентами оптоэлектронных систем, оптической связи, мониторинга окружающей среды и так далее [1,2,3,4,5]. В частности, фотодетекторы УФ-видимого диапазона, одни из важных широкополосных фотодетекторов, использовались в биомедицинских системах визуализации, ультрафиолетовой астрономии, широких спектральных переключателях, запоминающих устройствах и т. Д. [6,7,8]. Поэтому крайне необходимо создавать различные материалы с высокоэффективным фотооткликом в этой широкополосной области [9, 10]. Как один из наиболее изученных дихалькогенидов переходных металлов (TMD), 2D дисульфид молибдена (MoS ₂ ) представляет выдающийся потенциал для создания различных электронных и оптоэлектронных устройств из-за пониженной размерности [11,12,13], высокой подвижности носителей заряда, сильного удержания электронов и дырок и высокой светочувствительности [14,15,16]. Однако из-за более узкой запрещенной зоны монослоя, равной 1,8 эВ, MoS ₂ обычно демонстрирует отличное поглощение света в области зеленого света, а не в УФ-видимом диапазоне. Для достижения этого широкополосного диапазона фотоотклика одним из наиболее эффективных решений является конструкция гетероперехода с другими полупроводниками, обладающими большей шириной запрещенной зоны, что может не только расширить диапазон отклика до УФ-области из видимого диапазона, но также ввести фотовозбужденные носители, чтобы значительно улучшить качество фотографий.

Гетеропереход II типа - это наиболее широко изученный тип двумерных фотодетекторов на основе материалов, в которых встроенные электрические поля могут эффективно разделять носители и, таким образом, увеличивать фототок, но время рекомбинации носителей также увеличивается, что приводит к медленному времени отклика. Для сравнения, структура энергетической зоны гетероперехода типа I позволяет инжектировать заряды из одного материала с большей запрещенной зоной в другой материал с более узкой запрещенной зоной, что приводит к накоплению зарядов в материале с более узкой запрещенной зоной. Более того, заряды, заключенные внутри материала, могут повысить эффективность рекомбинации носителей, так что устройства на его основе будут иметь более быстрое время отклика. Благодаря указанным выше достоинствам, значительное внимание было уделено гетеропереходу типа I, особенно гетеропереходу, образованному между квантовыми точками и слоистыми материалами. Эти гибридные архитектуры 2D-0D недавно привлекли внимание к своей высокой производительности в качестве фотодетекторов, поскольку эта структура усиливает поглощение света, облегчает перестройку ширины запрещенной зоны, уменьшает время отклика и затухания и способствует концентрации фотовозбужденных зарядов, индуцированных I -типа гетероперехода, образованного между квантовыми точками и слоистыми материалами [17,18,19].

Среди нескольких широкозонных полупроводников оксид цинка (ZnO) является хорошо зарекомендовавшим себя материалом для фотодетекции УФ-излучения из-за его широкой запрещенной зоны (3,37 эВ), высокой энергии связи экситонов (60 мэВ) и короткого времени переключения при освещении УФ-светом. свет [1, 20]. В последнее время ZnO-QD широко применяются в оптоэлектронике благодаря уникальным оптическим свойствам, большому отношению поверхности к объему и настраиваемой оптической ширине запрещенной зоны [21, 22]. Кроме того, квантовое туннелирование, сочетающееся с состояниями захвата заряда, происходит на поверхности ZnO-QD в силу того, что носители заряда удерживаются во всех трех направлениях. Следовательно, очень важно представить гибридную гетероструктуру I-типа на основе 2D MoS ₂ и ZnO-QD, чтобы реализовать превосходный широкополосный фотоотклик в УФ-видимом диапазоне с высоким фотопоглощением, чувствительностью, детекцией, EQE, соотношением включения / выключения тока и т. д.

Здесь мы сообщаем о фотоприемнике на основе однослойных ZnO-QD / MoS ₂ гибридная структура, изготовленная с помощью несложного процесса. Благодаря гетеропереходу I-типа между монослоем MoS ₂ и ZnO-QD, устройство демонстрирует высокую скорость отклика, расширенный диапазон широкополосного фотоотклика (глубокий УФ-видимый свет), повышенное оптическое поглощение, фотоотклик и обнаруживающую способность. Также примечательно, что чувствительность достигает 0,084 A / Вт при 405-нм свете при плотности мощности (PD) 0,073 мВт / см ² . , что сравнимо с гибридным фотодетектированием на той же длине волны [23, 24]. Таким образом, наше исследование может предоставить метод улучшения характеристик фотоприемников и расширения строительных блоков для высокопроизводительных оптоэлектронных устройств.

Раздел метода

Рост треугольного однослойного MoS ₂

Триоксид молибдена (MoO ₃ , 99,99%) и серу (S, 99,5%) были использованы для синтеза высококристаллического треугольного MoS ₂ чешуйки на сапфирах методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) [7]. В качестве подложек сапфиры были хорошо очищены в ацетоне, спирте и деионизированной воде с обработкой ультразвуком в течение 10 мин соответственно. Затем их плотно выровняли и поместили над лодочкой из оксида алюминия, которая содержала 3 мг MoO ₃ . порошков, лодочка помещалась в кварцевую трубку и располагалась в высокотемпературной области печи. Впоследствии еще одна лодочка, содержащая 120 мг порошка серы (S), также была помещена в кварцевую трубку и расположена в области с более низкими температурами печи. Перед выращиванием трубку откачивали вакуумом и несколько раз продували чистым газом аргоном (Ar) (99,999%), чтобы удалить из трубки кислород и воду. Затем температура MoO ₃ порошок поднимался до 400 ° C и выдерживал эту температуру в течение 10 мин, а затем повышался до 780 ° C. Когда она достигала 650 ° C, температура порошков S повышалась до 150 ° C в течение 5 минут. Затем в высокотемпературной и низкотемпературной областях оставались предельные температуры в течение 5 и 15 минут соответственно, и трубка была промыта газообразным аргоном с расходом 10 см3 / мин. После охлаждения печи до комнатной температуры мы получили образцы, выращенные на подложках.

Синтез квантовых точек ZnO

Квантовые точки ZnO были синтезированы золь-гель методом при комнатной температуре. Всего 0,878 г дигидрата ацетата цинка (Zn (Ac) ₂ · 2H ₂ О) добавляли 80 мл триэтиленгликоля (ТЭГ) в коническую бутыль и интенсивно перемешивали; 0,252 г моногидрата гидроксида лития (LiOH · H ₂ О) затем постепенно добавляли в раствор. После перемешивания в течение более 5 часов раствор становился прозрачным, и при освещении УФ-возбуждением можно было наблюдать зеленую флуоресценцию. Если раствор перемешивали в течение 24 ч, он проявлял гораздо более сильную флуоресценцию. Затем бутылку закрывали и обрабатывали ультразвуком в ледяной воде в течение 30 мин. Затем в бутыль добавляли этилацетат до появления осадков. В конечном итоге порошкообразные образцы квантовых точек ZnO были собраны центрифугированием осадков, трижды промыты ацетоном для удаления непрореагировавших предшественников, нагреты при 70 ° C в течение 6 часов и диспергированы в этаноле в течение 1 часа.

ZnO-QDs / однослойный MoS ₂ Изготовление устройства

Обычная фотолитография использовалась для прямого изготовления Au / Ti электродов на монослое MoS ₂ выращены на сапфировых подложках для создания устройств. Положительный фоторезист наносили центрифугированием на сапфир при 4000 об / мин в течение 1 мин и запекали при 90 ° C в течение 1 мин. Затем на однослойном MoS ₂ были изготовлены электродные узоры. системой фотолитографии. Затем пленка Ti (5 нм) и пленка Au (50 нм) были нанесены друг за другом на подложку путем термического испарения с последующим снятием в ацетоне для удаления пленки Ti и Au, которые прилипли к фоторезисту, так что образовались электроды. После этого устройства отжигали при 200 ° C в течение 2 часов в потоке Ar (100 sccm) для удаления остатков и улучшения контакта между MoS ₂ и электроды. В конце концов, ZnO-QD были диспергированы в растворе этанола (2 мг / мл), одна капля была нанесена и нанесена методом центрифугирования на MoS ₂ устройство при 1000 об / мин в течение 60 с перед запеканием при 70 ° C в течение 10 мин; этот процесс повторяется 3 раза, чтобы убедиться, что MoS ₂ поверхность была покрыта достаточным количеством квантовых точек ZnO.

Характеристика

Оптические изображения были сделаны Motic BA310Met для проверки морфологии выращенного MoS ₂ . Данные о высоте с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) регистрировались с помощью Bruker Dimension FastScan. Рамановское картирование, спектры комбинационного рассеяния и фотолюминесценции (ФЛ) были записаны на рамановской системе (InVia-Reflex) с лазером с возбуждением 532 нм в условиях окружающей среды. Рентгеновская дифракция (XRD) кристаллической структуры образцов порошка ZnO была измерена при скорости 8 ° мин ^-1 с помощью порошкового рентгеновского дифрактометра D8 Advance. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) и просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ПЭМВР) были исследованы на приборе FEI Tecnai G2 F30 (200 кВ). Растворы образцов (2 мг / мл) наносили по каплям на покрытые углеродом медные решетки и помещали в вакуумную сушильную печь для сушки при 70 ° C в течение ночи. Спектры диффузного отражения и поглощения в УФ-видимой области были получены с помощью спектрофотометра (Lambda950, PerkinElmer).

Характеристики фотоэлектрических характеристик

Наше устройство было протестировано в герметичной коробке для предотвращения электромагнитных помех. DUV для видимого света были созданы лазерами (VIASHO). Световое пятно диаметром 0,7 см освещалось перпендикулярно устройству для обеспечения полного облучения устройства. Интенсивность света измеряли измерителем энергии мощности (Thorlabs PM100D) с кремниевой головкой питания (Thorlabs S120VC). Все фотоэлектрические измерения проводились с помощью измерителя источника (Keithley 2636B).

Результаты и обсуждение

Морфология и структура ZnO-QD / монослой MoS ₂ Фотоприемник

Спин-покрытие раствора ZnO-QDs было принято для изготовления ZnO-QDs / MoS ₂ устройство, как показано на рис. 1а. На рис. 1б показано оптическое изображение монослоя MoS ₂ . чешуйки со средней длиной стороны 25 мкм. АСМ изображение на рис. 1c показывает толщину MoS ₂ хлопья составляет ~ 0,8 нм, что указывает на форму треугольника MoS ₂ чешуйки монослойные [25]. Кроме того, два активных режима комбинационного рассеяния расположены на расстоянии 384,24 см ⁻¹ и 403,18 см ⁻¹ Показанные в спектрах комбинационного рассеяния на рис. 1d соответствуют плоскости E ¹ _{2 г} и вне плоскости A _1g , соответственно. Разница двух пиков составляет 18,94 см ⁻¹ . Далее в спектре ФЛ, показанном на рис. 1д, наблюдается пик, расположенный при 1,84 эВ. Оба результата являются отличительными чертами однослойного MoS ₂ [26]. Соответствующее рамановское отображение, показанное на рис. 1f, указывает на то, что MoS ₂ чешуйки имеют одинаковую толщину.

а Принципиальная схема оригинального устройства и ZnO-QD / MoS ₂ устройство. б Оптические изображения MoS ₂ чешуйки, масштабная линейка, 10 мкм. c Изображение АСМ, на вставке показана толщина MoS ₂ , масштабная линейка, 2 мкм. г Рамановский спектр и е Спектр ФЛ MoS ₂ хлопья. е Рамановское отображение MoS ₂ чешуйка, масштабная линейка, 5 мкм

КТ ZnO могут излучать свет из-за эффекта спонтанного излучения, который наблюдался в нашем эксперименте, как показано на рис. 2b. На рис. 2б показаны дифрактограммы порошковых КТ ZnO-QD, которые в соответствии с картой JCPDS № 36-1451, и никаких других пиков не наблюдается, что не только подтверждает наличие ZnO, но также означает, что предшественники полностью удалены ацетоном. Картины XRD материалов с квантовыми точками имеют тенденцию иметь более широкую полную ширину на полувысоте (FWHM) по сравнению с объемными или порошковыми материалами [27], что также наблюдается в наших порошках ZnO после их изготовления. Чтобы гарантировать средний размер и распределение ZnO-QDs, диспергированных в этаноле, используются ПЭМ и ВРЭМ; соответствующие изображения ZnO-QD показаны на рис. 2c и d. Средний размер КТ ZnO составляет 4,3 ± 1,87 нм; этот результат получен статистическим анализом ПЭМ более 100 квантовых точек ZnO. Из изображения ПЭМВР на рис. 2d мы обнаруживаем, что ZnO-QD имеют высокое качество кристаллов с шагом решетки 0,28 нм, что соответствует плоскости (100) кристаллического ZnO.

а ZnO-КТ с разным временем синтеза излучали свет при освещении УФ-светом. б Дифрактограммы порошковых КТ ZnO. c , d Изображения ZnO-QD с помощью ПЭМ и ВРЭМ. На вставке показано распределение ZnO-QD по размерам

Оптоэлектронные характеристики ZnO-QD / однослойного MoS ₂ Фотоприемники

Вольт-амперные характеристики ZnO-QD / MoS ₂ "ток-напряжение смещения" устройства в темноте и при светлом освещении (532 нм) показаны на рис. 3а, а на вставке - ВАХ с большим увеличением при отрицательном напряжении. Максимальное соотношение включения / выключения составило около 100 при напряжении 0,5 В. Эффективная площадь устройства составляет 185,71 мкм ² . а частичный размах лазера варьируется от 1,97 до 24,08 мВт / см ² . Из-за контактов Шоттки между монослоем MoS ₂ и электроды, ВАХ несимметричны. Преимущества барьера Шоттки, расположенного в контактных областях, заключаются в том, что барьер Шоттки может не только разделять фотогенерированные электронно-дырочные пары за более короткое время, но также снижать скорость электронно-дырочной рекомбинации, что способствует достижению высокого фототока и быстрой скорости отклика. [28,29,30]. По мере увеличения частичного разряда фототок значительно увеличивался, когда на устройство подавалось положительное напряжение, поэтому все дальнейшие измерения проводились при В _ds =1 В.

а ВАХ ZnO-QD / MoS ₂ фотоприемник при разной плотности мощности освещения. На вставке - ВАХ с большим увеличением (отрицательное напряжение) в темноте и при различной плотности мощности освещения. б Трехмерная карта чувствительности ZnO-QDs / MoS ₂ фотоприемник. c Фототок, зависящий от мощности (красный) и чувствительность (R, зеленый) при длине волны возбуждения 532 нм при V _ds =1 В. д Внешний квантовый выход, зависящий от мощности (EQE, красный) и удельная обнаруживающая способность (D *, зеленый) при V _ds =1 В

Чувствительность - один из важнейших параметров фотоприемников, который определяется параметром R . _λ = Я _ph / PS, где P - световой PD, а S - эффективная площадь светочувствительного элемента. Мы представляем трехмерную карту чувствительности ZnO-QDs / MoS ₂ устройство на рис. 3b, которое отражает влияние различных V _ds и ПД по отзывчивости. Чтобы выяснить различия в производительности между оригинальным устройством и устройством, декорированным ZnO-QD, мы измерили и сравнили фототок ( I _ph = Я _свет - Я _темный ), обозначенный красными точками и чувствительностью ( R _λ ), нанесенный зелеными точками, при освещении лазером 405 нм с V _ds =1 В, как показано на рис. 3в. Фототок установлен I _ph ∼ P ^α , где P - световые частичные разряды, а α - показатель степенного закона. Подбирая измеренные фототоки, значение α =0,8 для исходного MoS ₂ и α =0,84 для ZnO-QD / MoS ₂ достигнуты. Здесь рассчитанный α близкое к 1 означает, что меньше фотовозбужденных носителей теряется из-за рекомбинации [31]. Оригинальное устройство имеет максимальный фототок 0,168 нА при частичном разряде лазера 24,08 мВт / см ² . и демонстрирует чувствительность 0,028 A / Вт при более низком частичном разряде лазера 0,073 мВт / см ² . При том же PD ZnO-QDs / MoS ₂ Устройство показывает более высокий фототок 0,667 нА и чувствительность 0,084 А / Вт. Этот результат показывает фототок монослоя MoS ₂ устройства можно значительно улучшить, декорируя ZnO-QD. Кроме того, для дальнейшего сравнения были рассчитаны два важных параметра фотодетектирования:внешняя квантовая эффективность (EQE) и обнаруживающая способность (D *). EQE - это отношение фотогенерированных электронов, которые собираются за пределами устройства, к количеству падающих фотонов, выраженное как EQE =hc R _λ / λ e, где h - постоянная Планка, c - скорость света, λ - длина волны возбуждающего света, а - элементарный заряд электрона. Что касается D *, он может количественно определять чувствительность фотоприемника и определяется как D * = R . _λ S ^1/2 / (2e I _темный ) ^1/2 если мы предположим, что I _темный способствует сильному шуму. Как показано на рис. 3d, исходное устройство демонстрирует максимальный EQE (красный) и D * (зеленый), что соответствует 8,5% и 3,84 × 10 ¹⁰ Джонса, соответственно, при частичном разряде лазера 0,075 мВт / см ² . Между тем, при том же PD, максимальных EQE и D *, соответствующих 25,7% и 1,05 × 10 ¹¹ Джонса, соответственно, оба из которых примерно в 3 раза выше, чем у первоначального, получены с помощью ZnO-QDs / MoS ₂ устройство. D *, достигаемый нашим гибридным устройством, конкурирует со многими другими описанными фотодетекторами на основе слоистых материалов, такими как графеновая квантовая точка / WSe ₂ / Si гетеропереход (4,51 × 10 ⁹ Джонс) и графен / графеновые КТ / структура графена (~ 10 ¹¹ Джонс) [32, 33]. Это потому, что Я _темный полученное в приборе снижается до крайне малого значения ниже 0,1 нА при смещении 1 В; это сравнимо с I _темный фотоприемника на гетеропереходе графен-кремний (0,1 нА при нулевом смещении) [34].

Фототок исходного устройства и устройства, декорированного ZnO-QD при воздействии лазера с различной длиной волны, показан на рис. 4а. Существует явное усиление фототока в диапазоне 405 нм, 532 нм или 635 нм, что означает, что квантовые точки ZnO с широкой запрещенной зоной могут улучшить характеристики обнаружения видимого света. Мы дополнительно исследовали широкополосный спектральный отклик гибридного устройства, 254-нм свет с PD 0,26 мВт / см ² . и свет 375 нм с PD 0,51 мВт / см ² были применены для освещения гибридного устройства, и были получены отличные фотоотклики, как показано на рис. 4b. Кроме того, гибридное устройство не дает отклика при освещении светом с длиной волны более 800 нм. Хотя мощность освещения ультрафиолетовым светом мала, фототок все же намного выше или, по крайней мере, сравним с теми, которые получаются при освещении видимым светом с гораздо более высоким частичным разрядом. Мы считаем, что именно широкая запрещенная зона ZnO-QD позволяет гибридному устройству поглощать больше фотонов, когда на него падает УФ-свет; таким образом, создается множество переносов, которые передаются в MoS ₂ чтобы значительно увеличить фототок. Более того, после 6-кратного включения / выключения состояния в течение 250 с фототок и темновой ток все еще оставались на своем уровне, что продемонстрировало отличную фотостабильность этого гибридного устройства.

а Фототок исходного устройства и ZnO-QD / MoS ₂ фотоприемник освещается при разных ЧР с разной длиной волны при V _ds =1 В. b Множественные циклы фотоотклика ZnO-QDs / MoS ₂ фотоприемник при освещении DUV (254 нм) и УФ (375 нм) светом ( V _ds =1 В). Время ответа c первозданное устройство и d ZnO-QDs / MoS ₂ фотоприемник освещен при частичном разряде 35 мВт / см ² с длиной волны 635 нм при V _ds =1 В. e Нормализованный PDCR ZnO-QDs / MoS ₂ фотоприемник при освещении лазером 532 нм при V _ds =1 В; фототок, измеренный в день 1 и день 31, был вставлен для лучшего сравнения

Фотодетектор с высокой скоростью отклика подходит для некоторых областей, таких как оптическая связь и видеоизображение. В качестве еще одного важного параметра фотодетекторов было исследовано время отклика при падающем свете с длиной волны 635 нм и частичном разряде 35 мВт / см ² . . В этой работе мы определили время нарастания и затухания фотоприемника как время, необходимое устройству для достижения 90% равновесного значения от начального тока, и наоборот, соответственно. Для оригинального устройства время нарастания составляло 9,5 с, а время затухания - 17,4 с, такая низкая скорость отклика в основном из-за состояний ловушки, расположенных в запрещенной зоне, которая была введена дефектами в материалах [35]. После MoS ₂ фотодетектор был украшен ZnO-QD, как показано на рис. 4c и d, время нарастания и затухания уменьшено до 1,5 с и 1,1 с, время отклика уменьшено на 84,2% и 93,7% соответственно. Этот результат демонстрирует, что ZnO-QD могут значительно сократить время отклика MoS ₂ фотоприемники и делают этот гибридный фотоприемник подходящим кандидатом для практического применения. Чтобы оценить долговременную стабильность гибридного фотодетектора, мы измерили фототок устройства в течение 1 месяца (интервал 3 дня), как показано на рис. 4e; отношение фототока к темновому току (PDCR = I _ph / Я _темный ) был применен. После пребывания на воздухе в течение 1 месяца ПДКР устройства не обнаруживает явной дегенерации; вставленные изображения показывают, что ток, измеренный в день 1 и день 31, почти остается на одном уровне; очевидно, что этот гибридный фотоприемник имеет хорошую стабильность для длительного фотодетектирования.

Механизм фотоответа

Здесь мы исследовали механизм повышения производительности фотодетектирования ZnO-QDs / MoS ₂ фотоприемник. Во-первых, мы проверили поглощение гибридной структуры с помощью численного моделирования. Используя метод конечных элементов, мы построили расчетную модель, которая состоит из воздушной области сверху и сапфировой подложки снизу. Верх и низ модели были усечены двумя идеально подобранными слоями, чтобы избежать ложных отражений. Показатель преломления сапфировой подложки был установлен постоянным 1,75. Вначале мы соответственно положили MoS толщиной 0,8 нм ₂ и слой ZnO толщиной 4,5 нм на сапфировой подложке для проверки независимого поглощения. Показатель преломления MoS ₂ монослой взят из работы [36], а для ZnO - из работы [37]. Затем мы помещаем гибридный слой (ZnO поверх MoS ₂ ) на той же сапфировой подложке, чтобы изучить общее поглощение. Как показано на рис. 5а, гибридный слой демонстрирует повышенное поглощение в области длин волн ниже 400 нм по сравнению с чистым MoS ₂ . монослой, демонстрирующий лучшее поглощение УФ-излучения после декорирования ZnO-QD. Затем мы экспериментально проверили спектры поглощения MoS ₂ в УФ и видимой областях. , ZnO-QD и ZnO-QD / MoS ₂ и результат совпадает с рассчитанным. Как показано на рис. 5b, монослой MoS ₂ демонстрирует широкополосный диапазон поглощения от УФ до видимого света с длиной волны и не обнаруживает пиков поглощения, когда длина волны увеличивается до NIR. Что касается ZnO-QD, пики поглощения расположены на длине волны ультрафиолетового света, и существует более высокая степень поглощения по сравнению с MoS ₂ . После декорирования ZnO-QD мы обнаружили, что ZnO-QDs / MoS ₂ обладает более высокой абсорбционной способностью, чем чистый MoS ₂ , что свидетельствует о более интенсивном взаимодействии света с веществом гетероструктуры. Соответствующие графики Tauc показаны на рис. 5c, а ширина запрещенной зоны MoS ₂ и ZnO-QD могут быть рассчитаны как ~ 1,77 эВ и ~ 3,42 эВ, соответственно, что близко к значениям в предыдущих отчетах [27, 38].

а Расчетные спектры поглощения MoS ₂ , ZnO-QD и ZnO-QD / MoS ₂ . б Спектры поглощения MoS ₂ в УФ-видимой области , ZnO-QD и ZnO-QD / MoS ₂ . c Тауц-графики MoS ₂ и ZnO-QD

Согласно предыдущим отчетам, MoS ₂ и ZnO-QD являются полупроводниками n-типа с работой выхода 4,7 и 5,3 эВ [39, 40] соответственно. Электронное сродство MoS ₂ составляет примерно 4,3 эВ [41], что немного больше, чем у КТ ZnO (4,2 эВ) [42]. Ширина запрещенной зоны MoS ₂ и ZnO-QD считается равным 1,8 эВ и 3,4 эВ согласно расчетам графика Таука. Зонная структура MoS ₂ и ZnO (до и после контакта), показанные на рис. 6a и b, сконструированы и используются для исследования механизма улучшения характеристик фотодетектирования.

а и b являются ленточными диаграммами MoS ₂ и ZnO-QD до и после контакта

MoS ₂ Гетеропереход / ZnO-QDs формируется силами Ван-дер-Ваальса, и выравнивание полос I-типа на границе раздела может быть использовано для объяснения повышенной чувствительности [42]. Когда эти гетероструктуры освещаются УФ-светом, как ZnO-QD, так и MoS ₂ сильно поглощают световой фотон, и электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, так что происходит процесс «I». После этого электроны инжектируются из зоны проводимости ZnO-QD в MoS ₂ зона проводимости, чтобы образовать процесс «V» за счет теплового перемешивания, тем временем часть электронов в зоне проводимости ZnO-QD туннелирует в зону проводимости в MoS ₂ , в результате чего получается процесс «III.» Затем дыры в валентной зоне ZnO-QD перемещаются в соответствующую валентную зону в MoS ₂ , как показано в процессе «IV.» Кроме того, спонтанное излучение может заставить некоторые электроны в зоне проводимости ZnO-QD вернуться в валентную зону, чтобы испустить фотон, который может возбуждать электроны в валентной зоне MoS ₂ в зону проводимости, чтобы образовался процесс «II». С другой стороны, аналогичные процессы происходили, когда гибридные устройства освещались видимым светом, за исключением того, что возбужденные электроны приходили с дефектного энергетического уровня ZnO-QD [43], что уменьшало возбужденную энергию. В результате эти возбужденные электронно-дырочные пары переходят от ZnO-QD к MoS ₂ и привести к значительному увеличению фототока по сравнению с оригинальным устройством. Вдобавок большое количество возбужденных несет MoS ₂ значительно увеличит скорость рекомбинации и уменьшит время отклика и затухания [42], которые наблюдались на рис. 4c и d.

Выводы

Таким образом, мы сообщаем о фотоприемнике на основе однослойного MoS ₂ Гибридная структура ZnO-QD. По сравнению с однослойным MoS ₂ Декорирование ZnO-QD приводит не только к огромному увеличению фотоотклика в видимом спектре, но и к расширению до глубокого ультрафиолетового (DUV) диапазона. При возбуждении видимым светом это гибридное устройство демонстрирует более высокую скорость отклика (1,5 с и 1,1 с соответственно), более высокую чувствительность, превышающую 0,084 A / Вт, и большую обнаружительную способность 1,05 × 10 ¹¹ Джонс. Это связано с большим количеством инъекций переносов из ZnO-QD в MoS ₂ . Кроме того, гибридное устройство показывает отличную стабильность при воздействии атмосферы при комнатной температуре. Таким образом, наше исследование может предоставить метод улучшения характеристик фотоприемников и расширения строительных блоков для высокопроизводительных оптоэлектронных устройств.

Доступность данных и материалов

В рукописи все данные, подтверждающие их выводы, взяты из экспериментов по изготовлению, характеризации и измерений. Все авторы желают поделиться своими данными. Данными можно делиться.

Сокращения

PL:

Фотолюминесценция

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

XPS:

Рентгеновские фотоэлектронные спектры

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

R _λ :

Ответственность

I _ds :

Ток сток-исток

I _ph :

Фототок

EQE:

Внешняя квантовая эффективность

D *:

Обнаружение

VB:

Группа валентности

CB:

Полоса проводимости