Фотодетектор с регулируемой длиной волны на основе одиночного нанопояса CdSSe

Фон

В последнее время полупроводниковые наноматериалы широко изучаются в качестве оптоэлектронных устройств, таких как светодиоды [1, 2], фотоэлектрические устройства [3], солнечные элементы [4, 5], электрокаталитический H ₂ поколения [6, 7] и фотоприемников [8,9,10]. CdS и CdSe представляют собой полупроводниковые материалы AIIIBVI с шириной запрещенной зоны при комнатной температуре 2,42 и 1,74 эВ соответственно. Они считаются лучшими материалами для изготовления фотоприемников из-за их ширины запрещенной зоны, соответствующей длине волны поглощения в видимой области света [11, 12].

Одномерные наноструктуры, такие как нанопроволоки [13], наноленты [14] и нанотрубки [15], используются в сенсорах и фотодетекторах из-за их высокого отношения поверхности к объему, физических свойств и химических свойств [16]. Среди них некоторые наноструктуры, такие как ZnO [17], CdS [18], CdSe [19], MoS ₂ [20], Zn _x Кд _{1 - x} Se [21], CdS _{1 - x} Se _x [22], и Zn _x Кд _{1 - x} S [23] использовались при изготовлении фотоприемников. Pan et al. Сообщается, что фотоприемник на базе CdS _0.49 Se _0,51 /CdS_0.91 Se _0,09 гетероструктура имеет хорошие характеристики [24]. Тем не менее, как разработать детектор с высоким откликом и селективностью с отличными характеристиками, все еще остается сложной задачей.

В данной работе наноленты (НБ) CdSSe были синтезированы методом термического испарения. Мы берем на себя изготовление и определение характеристик одного устройства CdSSe. После этого были систематически исследованы фотоэлектрические свойства одиночного устройства CdSSe NB. На основании этого мы провели катодолюминесценцию (КЛ) НБ CdSSe при комнатной и низкой температуре и обнаружили, что КЛ чувствительна к дефектам НБ CdSSe. Поэтому мы выбираем наноленты с идеальной микроструктурой для разработки устройств CL, чтобы они могли достичь желаемых свойств.

Методы

Подготовка CdSSe Nanobelts

Монокристаллические НБ CdSSe были приготовлены методом термического испарения. Для синтеза НБ CdSSe смесь порошков чистого CdS (99,99 мас.%) И порошков CdSe (9,99 мас.%), Предварительно смешанных в массовом соотношении 1:1, помещалась в керамическую лодочку. Керамическая лодочка помещалась в середину кварцевой трубки. В трубку помещали кремниевую подложку, покрытую пленкой Au толщиной около 10 нм; расстояние между кремниевой подложкой и керамической лодочкой составляло около 5–7 см. Печь нагревали до 820 ° C и затем выдерживали в течение 2 часов. Наконец, печь естественным образом остыла до комнатной температуры. Наноленты разного состава наносились на разные позиции Si-подложки. В течение всего эксперимента газ Ar пропускался со скоростью 20 см3 / мин, а давление внутри трубки поддерживалось на уровне 112 Торр.

Характеристика материала

Морфология, структура и состав нанолент были охарактеризованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), рентгеновской дифракции (XRD), просвечивающей электронной микроскопии (TEM), электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. (XPS). Спектры ФЛ регистрировались при возбуждении лазером с длиной волны 532 нм. Спектры ХЛ NB CdSSe были измерены при комнатной температуре и низкой температуре с помощью системы катодолюминесценции (CL) (Gatan monocle CL4), установленной на сканирующей электронной микроскопии (Quanta FEG 250).

Изготовление устройства Nanobelt

Электроды Ti / Au были нанесены на два конца одной наноленты, диспергированной на подложке Si с SiO ₂ толщиной 500 нм. слой, а затем было достигнуто устройство. Подробный процесс изготовления устройств указан в литературе [25]. Непокрытая часть нанолент освещалась падающим светом. На рисунке 1 представлена ​​принципиальная схема испытания устройства.

Принципиальная схема конфигурации детектора

Фотоэлектрические характеристики

Измерение фотоэлектрических характеристик нанолент проводилось полупроводниковой системой Keithley 4200 и монохроматическим спектрометром. Фототок устройства измерялся путем изменения падающего света, излучаемого вертикально на устройство, и I - V кривые были получены с помощью двухзондового измерения.

Результаты и обсуждение

На рис. 2а показано СЭМ-изображение готовых NB CdSSe. Обнаружено, что НБ CdSSe имеют хорошую морфологию, одинаковую ширину и длину до сотен микрометров. Рисунок 2b представляет собой СЭМ-изображение нанополос CdSSe с большим увеличением. Наблюдается, что нанолента тонкая и однородная, ее ширина составляет 2,632 мкм. На рис. 2с и на вставке представлены светлопольное изображение просвечивающей электронной микроскопии и картина дифракции в выбранной области (SAD) одного наноленты шириной 2,94 мкм и толщиной менее 50 нм. Шаблон SAD подтверждает качество монокристалла, и его можно отнести к гексагональной структуре с параметрами решетки a =4,177 Å и c =6,776 Å. Соответствующее изображение ПЭМВР показано на рис. 2d, а шаг решетки между соседними плоскостями составляет 0,34 нм, что соответствует плоскости кристалла (110). Соответственно, направление его роста вдоль [110].

Морфологические изображения НБ CdSSe. а СЭМ при малом увеличении. б СЭМ при большом увеличении. c САД, врезка:его ТЕМ. г HRTEM

EDX и отображение нанолент CdSSe показаны на рис. 3. СЭМ-изображение образца при малых кратных значениях показано на рис. 3a. Наблюдается, что вся область покрыта нанолентами. На рис. 3б показаны общие распределения Cd, S и Se. Отображения элементов Cd, S и Se изображены на рис. 3c – e соответственно. Выявлено, что Cd, ​​S и Se равномерно распределены по всей нанополосе. Спектр EDX, полученный с тех же нанолент, представлен на рис. 3f, что указывает на то, что нанолента состоит из элементов Cd, S и Se.

СЭМ-изображение и элементарные отображения NB CdSSe. а SEM. б – д Отображения Cd, S и Se соответственно. е EDX

XRD- и XPS-диаграммы CdSSe NB представлены на рис. 4. Все дифракционные пики могут быть отнесены к гексагональной структуре CdS _0,76 Se _0,24 с параметрами решетки a =4,177 Å и c =6,776 Å, что соответствует стандартной карте (JCPDS № 49-1459). Положения дифракционных пиков (2 θ =24,72 °, 26,35 °, 28,13 °, 36,42 °, 43,47 °, 47,5 °, 50,4 °, 51,4 ° и 52,4 °) совмещено с плоскостью кристалла (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) и (201) соответственно. Других примесей не обнаружено. Острые и узкие дифракционные пики показали, что полученные наноленты CdSSe обладают хорошей кристалличностью. На рисунке 4b показаны энергии связи Cd3d _5/2 . и Cd3d _3/2 для НБ CdSSe при 404,8 и 411,7 эВ соответственно, что близко к значениям, приведенным в предыдущей работе [26]. Расстояние между двумя пиками составляет 6,9 эВ, что указывает на то, что атомы Cd находятся в полной фазе CdS [27]. Деконволюция пика S (2p) показывает два гауссовых пика с центрами 160,7 и 165,1 эВ на рис. 4c. Спектры валентных электронов Se (3d) представлены на рис. 4d, на котором наблюдался только один пик, расположенный при 53,5 эВ. Таким образом, результаты XPS подтверждают, что наноленты состоят из элементов Cd, S и Se.

Рентгенограммы и XPS-спектры NB CdSSe. а XRD. б XPS-спектр наложенного Cd (3d). c Спектр XPS высокого разрешения для S (2p). г Спектр XPS высокого разрешения для Se (3d)

Фиг.5 - спектр фотолюминесценции нанолент CdSSe; есть два пика в диапазоне 500–1000 нм. Один с центром на 603 нм возникает из-за излучения нанополос CdSSe на границе полосы (NBE). Другой с центром на ~ 950 нм может быть связан с эмиссией глубоких уровней, которая наблюдается в In ₂ Se ₃ и Ga ₂ Se ₃ [28, 29].

Спектры излучения ФЛ НБ CdSSe

СЭМ- и КЛ-изображения одиночного нанопояса CdSSe представлены на рис. 6а, б. Выяснилось, что поверхность нанолент плоская и гладкая, а яркость неоднородна по длине. На рис. 6в, г представлены спектры КЛ с пространственным разрешением того же нанопояса при комнатной температуре (295 К) и низкой температуре (93 К). Он подчеркнул, что интенсивности КЛ характеристического NBE на CdSSe NB различаются от точки к точке, и их отношение сигнал / шум не является хорошим при 295 К, тогда как КЛ сильные с различной интенсивностью от точки к точке при 93 К. Этот результат хорошо согласуется с изображением КЛ. Кроме того, характерный пик расположен на длине волны 625 нм, излучения дефектов не наблюдается, а интенсивность при 93 K примерно в 220 раз выше, чем при 295 K. Следовательно, CdSSe NB обладает хорошими люминесцентными свойствами при низких температурах.

СЭМ и КЛ изображения одного CdSSe NB. а SEM. б CL. c CL при 295 К. d CL при 93 К

На рис. 7а показано СЭМ-изображение наноустройства, на котором видно, что CdSSe NB неоднороден по ширине. Ширина измеренного NB составляет 30,85 и 36 мкм, а длина - 9,754 мкм, как показано на рис. 7a. Я - V Характеристики устройства CdSSe NB показаны на рис. 7b в темноте и при освещении белым светом с плотностью мощности 43,14 мВт / см ² . Как можно видеть, фототок значительно увеличивается при облучении белым светом, потому что падающий свет создает электронно-дырочные пары, тем самым улучшая фототок. Линейная форма I - V Кривая показала, что между электродами CdSSe NB и Ti / Au были сформированы хорошие омические контакты. Фототок 1,6 × 10 ⁻⁷ А, а темновой ток составляет около 1,96 × 10 ⁻¹⁰ A. Следовательно, отношение фототока к темновому току равно 816. На рисунке 7c показано I - V кривая получена после логарифмирования и обнаружила, что фототок на три порядка больше, чем его темновой ток.

Изображение SEM и I - V кривые одиночного детектора CdSSe NB. а SEM. б Я - V кривые в темноте и освещении белым светом с плотностью мощности 43,14 мВт / см ² . c Я - V график, полученный после логарифмирования

Для дальнейшего изучения фотоэлектронных свойств устройств мы измерили фототок одного устройства CdSSe NB, как показано на рис. 8. При приложенном напряжении смещения 1 В спектральная характеристика устройства находится в диапазоне от 600 до 800 нм показано на рис. 8а. Видно, что отклик очень сильный, если длина волны меньше 674 нм, а затем становится все слабее и слабее, когда длина волны больше 674 нм. На рисунке 8b представлены измеренные значения I - V кривая при освещении светом 674 нм с разной плотностью мощности. Обнаружено, что фототок увеличивается с увеличением плотности мощности, из чего следует, что эффективность фотогенерируемых носителей заряда пропорциональна количеству поглощенных фотонов [30]. Логарифмический график, соответствующий фиг. 8b, выделен на фиг. 8c. Выяснилось, что устройство CdSSe NB имеет лучший отклик при плотности мощности 6,11 мВт / см ² . . На рисунке 8d показано соотношение между фототоком и плотностью оптической мощности. Подбирая зависящее от плотности мощности значение фототока I _p = AP ^θ , где I _p фототок, P - плотность оптической мощности, A - постоянная, зависящая от длины волны, показатель степени θ определяет отклик фототока с мощностью [31], хорошее соответствие экспериментальным результатам было получено с θ =0,69. Сообщения о показателе экспоненты, отличном от единицы с 0,5 <θ <1, предполагают сложный процесс генерации, рекомбинации и захвата электронов и дырок в фотоактивном материале [32], тогда как зависимость интенсивности с θ <0,5 могут возникать из-за дефектных механизмов, включая как центры рекомбинации, так и ловушки. Следовательно, θ =0,69 означает, что нанолента CdSSe не имеет дефектов, что согласуется с данными HRTEM и CL.

Фотоотклик детектора детектора CdSSe NB. а Спектральный фотоотклик, измеренный при смещении 1 В. b Я - V кривая при длине волны возбуждения 674 нм, напряжении смещения 1 В и различных плотностях мощности. c Логарифмический график b . г Связь между фототоком и плотностью оптической мощности

Хорошо известно, что спектральная чувствительность ( R _λ ) и внешняя квантовая эффективность (EQE) являются критическими параметрами для оптических устройств, которые можно определить как R _λ = Я _ph / ( P _λ S ) и EQE = hcR _λ / ( qλ ), где I _ph разница между фототоком и темновым током, P _λ - плотность мощности света, излучаемого на наноленту, S эффективная освещенная площадь, c скорость света, h постоянная Планка, q - заряд электрона, а λ - длина волны возбуждения [33, 34]. Мы рассчитали соответствующее R _λ и значения EQE для устройства CdSSe NB составляют 10,4 A / W и 19,1%.

На рисунке 9a показан временной отклик детектора CdSSe NB, который измеряется путем периодического включения и выключения света с длиной волны 674 нм с интенсивностью 4,87 мВт / см ² . при напряжении смещения 1 В. Отсюда видно, что устройство CdSSe NB демонстрирует хорошую обратимую стабильность по коммутационным свойствам. На рис. 9b показаны фронты нарастания и спада напряжения резистора, измеренные осциллографом. Он отражает время нарастания и затухания фотопроводимости CdSSe NB. С освещением 674 нм и без него (4,87 мВт / см ² ) напряжение устойчивых изменений меняется. Видно, что время нарастания / спада составляет 1,62 / 4,70 мс соответственно. Мы сравнили важные параметры нашего фотодетектора с другими, основанными на одиночном наноленте или нанолисте (NS). Установлено, что R _λ устройства CdSSe NB в этой работе больше, чем у других наноструктурных фотодетекторов, таких как CdS [34] и ZnS NB [35], BiO ₂ Se [36], GaSe [37], SnS [38] и Bi ₂ S ₂ Н.С. [39]. Время распада короче, чем у ZnS NB [35] и GaSe NS [37], но больше, чем у других [34, 36, 38, 39], как показано в таблице 1, что подтверждает потенциальное применение CdSSe NB для фотоприемного поля.

Текущие характеристики одиночного фотоприемника CdSSe NB при освещении 674 нм светом 4,87 мВт / см ² удельная мощность при смещении 1 В. а Я - т характеристики с включением / выключением. б Фронт нарастания и спада напряжения импульсного отклика

Выводы

Таким образом, НБ CdSSe были выращены в высокотемпературной печи термическим испарением. Полученные наноленты охарактеризованы различными методами. Установлено, что НБ CdSSe имеют идеальную микроструктуру без каких-либо дефектов, а наноленты состоят из элементов Cd, Se и S. Результаты КЛ показали, что интенсивность одиночного нанопояса CdSSe при низкой температуре (93 K) выше, чем при комнатной температуре (295 K), а отношение сигнал-шум лучше при 93 K. После этого мы разработали фотоприемник CdSSe на основе на одиночном NB и изучил его оптоэлектронные свойства. Детектор достиг высокой производительности с чувствительностью 10,4 A / Вт, временем нарастания / затухания 1,62 / 4,70 мс и внешней квантовой эффективностью (EQE) 19,1% при 674 нм, что обеспечивает хорошую стабильность и воспроизводимость фотоэлектронных свойств. Эта работа открывает путь к разработке фотодетектора видимого диапазона с непрерывной длиной волны за счет настройки его состава.

Сокращения

CL:

Катодолюминесценция

EDX:

Энергодисперсионный рентгеновский снимок

EQE:

Внешняя квантовая эффективность

HRTEM:

Электронная микроскопия высокого разрешения

Примечание:

Нанопояс

NBE:

Ближний край полосы

NS:

Нанолист

PL:

Фотолюминесценция

R _λ :

Ответственность

SAD:

Дифракция в выделенной области

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция