Высокопроизводительный длина-волны-селективный фотодетектор на основе одиночного CdSSe нанопояса

Аннотация

CdSSe нанопояса (NBs) синтезированы термическим испарением и затем характеризованы сканирующей электронной микроскопией (SEM), рентгеновской дифракцией (XRD), трансмиссионной электронной микроскопией (ТЭМ), высокоразрешающей электронной микроскопией (HRTEM), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (XPS), фоtolюминесценцией (PL) и катодолюминесценцией (CL). Установлено, что CdSSe NBs имеют хорошую морфологию и микроструктуру без дефектов. CL чувствителен к дефектам CdSSe NBs; таким образом, мы можем отбирать одиночный нанопояс с однородной CL излучением для подготовки детектора. На этой основе разработан фотодетектор одиночного CdSSe нанопояса и его фотоэлектрические свойства детально изучены. Обнаружено, что под освещением белым светом и при смещенном напряжении 1 В фототок одиночного CdSSe нанопояса составляет 1,60 × 10⁻⁷ А, темновой ток — 1,96 × 10⁻¹⁰ А, а отношение светового тока к темновому — 816. Кроме того, детектор CdSSe нанопояса имеет высокую фотоэлектрическую производительность со спектральной ответственностью 10,4 А/В и внешним квантовым выходом (EQE) 19,1%. Время нарастания/спада составляет около 1,62/4,70 мс. Эта работа предлагает новую стратегию для проектирования длина-волны-контролируемых фотодетекторов путем регулировки их состава.

Введение

Недавно полупроводниковые наноматериалы широко изучаются как оптоэлектронные приборы, такие как светодиоды, фотоэлектрические приборы, солнечные батареи, электро каталитическое H₂ поколение и фотодетекторы. CdS и CdSe — II-VI полупроводниковые материалы с запрещенной зоной при комнатной температуре 2,42 и 1,74 эВ соответственно. Они считаются лучшими материалами для фабрикации фотодетекторов благодаря своей запрещенной зоне, соответствующей длине волны поглощения в видимой области спектра.

Одномерные наноструктуры такие как нанопроволоки, нанопояса и нанотрубки использовались в сенсорах и фотодетекторах благодаря их высокому соотношению поверхность/объем, физическим и химическим свойствам. Среди них некоторые наноструктуры такие как ZnO, CdS, CdSe, MoS₂, ZnₓCd₁₋ₓSe, CdS₁₋ₓSeₓ, ZnₓCd₁₋ₓS использовались в фабрикации фотодетекторов. Pan et al. сообщили, что фотодетектор на основе CdS₀.₄₉Se₀.₅₁/CdS₀.₉₁Se₀.₀₉ гетероструктуры имеет хорошую производительность. Однако разработка детектора с высокой отзывчивостью и селективностью с отличной производительностью остается вызовом.

В этой работе CdSSe нанопояса (NBs) синтезированы термическим испарением. Мы выполняем фабрикацию и характеристику одиночного CdSSe прибора. После этого фотоэлектрические свойства одиночного CdSSe NB прибора систематически изучались. На этой основе мы провели катодолюминесценцию (CL) CdSSe NB при комнатной и низкой температуре и обнаружили, что CL чувствителен к дефектам CdSSe NBs. Поэтому мы выбираем нанопояса с идеальной микроструктурой для проектирования приборов с помощью CL, чтобы они могли достичь наших желаемых свойств.

Методы

Подготовка CdSSe нанопоясов

Монокристаллические CdSSe NBs готовились термическим испарением. Для синтеза CdSSe NBs смесь чистых CdS порошков (99,99 масс.%) и CdSe порошков (9,99 масс.%) предварительно смешанных в массовом соотношении 1:1 помещали в керамическую лодку. Керамическая лодка помещали в середину кварцевой трубки. Кремниевую подложку, покрытую примерно 10-нм Au пленкой, помещали в трубку; расстояние между кремниевой подложкой и керамической лодкой составляло около 5–7 см. Печь нагревали до 820 °C и затем поддерживали 2 ч. Наконец, печь естественно остывала до комнатной температуры. Нанопояса с разным составом осаждались в разных позициях Si подложки. Во всем эксперименте Ar газ текла при 20 sccm, и давление внутри трубки поддерживалось при 112 Торр.

Материальная характеристика

Морфология, структура и состав нанопоясов характеризовали сканирующей электронной микроскопией (SEM), рентгеновской дифракцией (XRD), трансмиссионной электронной микроскопией (ТЭМ), высокоразрешающей электронной микроскопией (HRTEM) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (XPS). PL спектры измеряли под 532-нм лазерным возбуждением. CL спектры CdSSe NBs измеряли при комнатной и низкой температуре катодолюминесцентной (CL) (Gatan monocle CL4) системой, установленной на сканирующей электронной микроскопии (Quanta FEG 250).

Фабрикация нанопоясного прибора

Ti/Au электроды осаждали на двух концах одиночного нанопояса, диспергированного на Si подложке со 500-нм толщиной SiO₂ слоя, и затем прибор был получен. Детальный процесс фабрикации приборов описан в литературе. Непокрытая часть нанопоясов была подвергнута падающему свету. Рис. 1 — схематическая диаграмма конфигурации детектора.

Фотоэлектрическая характеристика

Измерения фотоэлектрической производительности нанопоясов проводили системой Keithley 4200 полупроводниковой системы и монохроматорным спектрометром. Фототок прибора измеряли изменением вертикально падающего света на прибор, и I-V кривые выполняли двухзондовым измерением.

Результаты и обсуждение

Рис. 2а показывает SEM изображение полученных CdSSe NBs. Установлено, что CdSSe NBs имеют хорошую морфологию и равномерную ширину и длины до сотен микрометров. Рис. 2б — высокое увеличение SEM изображения CdSSe нанопоясов. Наблюдается, что нанопояс тонкий и равномерный с шириной 2,632 мкм. Рис. 2в и его вставка представляют TEM светлое-поле изображение и выбранную-область дифракцию (SAD) паттерн одиночного нанопояса с шириной 2,94 мкм и толщиной менее 50 нм. SAD паттерн подтверждает монокристаллическое качество, и его можно индексировать как гексагональную структуру с решетковыми параметрами a = 4,177 Å и c = 6,776 Å. Соответствующее HRTEM изображение показано на Рис. 2г, и решетковый интервал между смежными плоскостями составляет 0,34 нм, соответствующий (110) кристаллической плоскости. Соответственно, его направление роста вдоль [110].

EDX и маппинг CdSSe нанопоясов показаны на Рис. 3. SEM изображение образца при низком увеличении показано на Рис. 3а. Наблюдается, что весь регион покрыт нанопоясами. Рис. 3б — общие распределения Cd, S и Se. Маппинги элементов Cd, S и Se изображены на Рис. 3в–г соответственно. Это раскрывает, что Cd, S и Se равномерно распределены во всех нанопоясах. EDX спектр, собранный с тех же нанопоясов, представлен на Рис. 3д, указывая, что нанопояс состоит из элементов Cd, S и Se.

XRD и XPS паттерны CdSSe NBs представлены на Рис. 4. Все дифракционные пики могут быть проиндексированы как гексагональная структура CdS₀.₇₆Se₀.₂₄ с решетковыми параметрами a = 4,177 Å и c = 6,776 Å, что согласуется со стандартной картой (JCPDS № 49-1459). Позиции дифракционных пиков (2θ = 24,72°; 26,35°; 28,13°; 36,42°; 43,47°; 47,5°; 50,4°; 51,4° и 52,4°) совпадают с кристаллическими плоскостями (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) и (201) соответственно. Другие примеси не обнаружены. Острые и узкие дифракционные пики раскрывают, что полученные CdSSe нанопояса имеют хорошую кристалличность. Рис. 4б показывает энергии связи Cd3d₅/₂ и Cd3d₃/₂ для CdSSe NBs при 404,8 и 411,7 эВ соответственно, близкие к значениям в предыдущей работе. Расстояние между двумя пиками составляет 6,9 эВ, указывая, что Cd атомы находятся в полной CdS фазе. Деконволюция S(2p) пика показывает два гауссовых пика, центрированных при 160,7 и 165,1 эВ на Рис. 4в. Валентные электронные спектры Se(3d) изображены на Рис. 4г, где наблюдается только один пик при 53,5 эВ. Поэтому XPS результаты подтверждают, что нанопояса состоят из элементов Cd, S и Se.

Рис. 5 — фоtolюминесцентный спектр CdSSe нанопоясов; есть два пика в диапазоне 500–1000 нм. Один центрирован при 603 нм, исходящий от ближнего-к-зоне (NBE) излучения CdSSe нанопоясов. Другой центрирован ~950 нм может быть связан с глубокоуровневым излучением, наблюдаемым в In₂Se₃ и Ga₂Se₃.

SEM и CL изображения одиночного CdSSe нанопояса описаны на Рис. 6а,б. Это прояснило, что поверхность нанопоясов плоская и гладкая, а яркость неоднородна вдоль длины. Рис. 6в,г — пространственно-разрешенные CL спектры того же нанопояса при комнатной температуре (295 К) и низкой температуре (93 К). Это подсвечило, что CL интенсивности характеристического NBE на CdSSe NB различаются от точки к точке, и их сигнал/шум отношение нехорошее при 295 К, тогда как CL сильны с разными интенсивностями от точки к точке при 93 К. Этот результат в хорошем согласии с CL изображением. Кроме того, характеристический пик расположен при 625 нм, дефектное излучение не наблюдается, и интенсивность при 93 К примерно в 220 раз сильнее, чем при 295 К. Следовательно, CdSSe NB имеет хорошие люминесцентные свойства при низкой температуре.

Рис. 7а — SEM изображение наноприбора, визуализирующее, что CdSSe NB неравномерен в ширине. Ширины измеренного NB составляют 30,85 и 36 мкм, а длина — 9,754 мкм, как отмечено на Рис. 7а. I-V характеристики CdSSe NB прибора показаны на Рис. 7б в темных условиях и под белым светом с плотностью мощности 43,14 мВт/см². Как видно, фототок 크게 увеличивается под белым светом, потому что падающий свет производит электрон-дырочные пары, улучшая фототок. Линейная форма I-V кривой указывала на формирование хороших омических контактов между CdSSe NB и Ti/Au электродами. Фототок составляет 1,6 × 10⁻⁷ А, а темновой ток около 1,96 × 10⁻¹⁰ А. Следовательно, отношение фототока к темновому току равно 816. Рис. 7в — I-V кривая после взятия логарифма, и установлено, что фототок выше на три порядка величины чем его темновой ток.

Для дальнейшего изучения фотоэлектронных свойств приборов мы измеряли фототок одиночного CdSSe NB прибора, как показано на Рис. 8. При приложенном смещенном напряжении 1 В спектральный отклик прибора в диапазоне 600–800 нм показан на Рис. 8а. Видно, что отклик очень силен при длине волны менее 674 нм, а затем становится слабее и слабее при длине волны более 674 нм. Рис. 8б представляет измеренную I-V кривую под освещением 674 нм света с разными плотностями мощности. Установлено, что фототок увеличивается с увеличением плотности мощности, подразумевая, что эффективность фотогенерированных носителей пропорциональна числу поглощенных фотонов. Логарифмический график соответствующий Рис. 8б подсвечен на Рис. 8в. Раскрыто, что CdSSe NB прибор имеет лучший отклик при плотности мощности 6,11 мВт/см². Рис. 8г — зависимость между фототоком и оптической плотностью мощности. Аппроксимируя зависимость фототока от плотности мощности как Iₚ = A P^θ, где Iₚ — фототок, P — оптическая плотность мощности, A — длина-волны-зависимая константа, экспонента θ определяет фототоковый отклик с мощностью, получено хорошее соответствие экспериментальным результатам с θ = 0,69. Отчеты о неединичном экспоненте с 0,5 < θ < 1 подразумевают сложный процесс электрон-дырочного поколения, рекомбинации и захвата в фотоактивном материале, тогда как интенсивностная зависимость с θ < 0,5 может возникать из-за дефектных механизмов, включая как рекомбинационные центры, так и ловушки. Поэтому θ = 0,69 означает, что CdSSe нанопояс не имеет дефектов, что согласуется с HRTEM и CL.

Известно, что спектральная ответственность (Rλ) и внешний квантовый выход (EQE) критические параметры для оптических приборов, которые могут быть определены как Rλ = Iₚₕ/(Pλ S) и EQE = hcRλ/(qλ), где Iₚₕ — разница между фототоком и темновым током, Pλ — плотность световой мощности, облучающей нанопояс, S — эффективная освещенная площадь, c — скорость света, h — постоянная Планка, q — электронный заряд, λ — длина волны возбуждения. Мы рассчитали соответствующие Rλ и EQE значения CdSSe NB прибора как 10,4 А/В и 19,1%.

Рис. 9а показывает временной отклик CdSSe NB детектора, измеренный периодическим включением и выключением 674-нм света с интенсивностью 4,87 мВт/см² при смещенном напряжении 1 В. Из этого видно, что CdSSe NB прибор демонстрирует хорошую обратимую стабильность в коммутационных свойствах. Рис. 9б — напряжение нарастания и спада фронта импульса, измеренное осциллографом. Отражает фото проводимость время нарастания и спада CdSSe NB. С и без освещения 674-нм светом (4,87 мВт/см²) напряжение резистора меняется. Видно, что время нарастания/спада составляет 1,62/4,70 мс соответственно. Мы сравнили важные параметры нашего фотодетектора с другими на основе одиночного нанопояса или нанолиста (NS). Установлено, что Rλ CdSSe NB прибора в этой работе больше чем у других наноструктурных фотодетекторов таких как CdS, ZnS NB, BiO₂Se, GaSe, SnS, Bi₂S₂ NS. Время спада короче чем у ZnS NB и GaSe NS, но длиннее чем у других, как суммировано в Таблице 1, подтверждая потенциальное применение CdSSe NB в фотодетективной области.

Заключение

В итоге, CdSSe NBs выращивались в высокотемпературной печи термическим испарением. Полученные нанопояса характеризовывались различными методами. Установлено, что CdSSe NBs имеют идеальную микроструктуру без дефектов и нанопояса состоят из элементов Cd, Se и S. CL результаты раскрыли, что интенсивность одиночного CdSSe нанопояса при низкой температуре (93 К) сильнее чем при комнатной температуре (295 К), и сигнал/шум отношение лучше при 93 К. После этого мы разработали CdSSe фотодетектор на основе одиночного NB и изучили его оптоэлектронные свойства. Детектор достиг высокой производительности с ответственностью 10,4 А/В, временем нарастания/спада 1,62/4,70 мс и внешним квантовым выходом (EQE) 19,1% при 674 нм, что имеет хорошую стабильность и повторяемость в фотоэлектронных свойствах. Эта работа проложает путь к разработке непрерывной-длина-волны видимого фотодетектора путем настройки его состава.

Аббревиатуры

CL:

Катодолюминесценция

EDX:

Энергетическая-дисперсионная рентгеновская

EQE:

Внешний квантовый выход

HRTEM:

Высокоразрешающая электронная микроскопия

NB:

Нанопояс

NBE:

Ближний-к-зоне

NS:

Нанолист

PL:

Фоtolюминесценция

Rλ:

Ответственность

SAD:

Выбранная-область дифракция

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

TEM:

Трансмиссионная электронная микроскопия

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция