Ультрачувствительный УФ-фотодетектор на основе графеновых квантовых точек на ZnO наностержнях на GaN изотипных гетероструктурах

Аннотация

Создан новый изотипный гетероструктурный ультрафиолетовый фотодетектор путем выращивания n-ZnO наностержневых массивов на n-GaN тонких пленках и спин-коатинга графеновых квантовых точек (GQD). Под 365 нм освещением гибридный детектор демонстрирует быстрый фотоответ — время нарастания 100 мс, затухание 120 мс — вместе с исключительной чувствительностью. При 10 В смещении достигает специфической детектируемости ~10¹² Джонс и ответственности 34 мА/Вт. Превосходная производительность результатом эффективной иммобилизации GQD на ZnO наностержнях, которые выступают поглотителями света и донорами электронов, повышая концентрацию носителей и облегчая УФ-индуцированный фотток.

Введение

УФ-фотодетекторы необходимы для детектирования ракетных запусков, космических исследований, экологического мониторинга, УФ калибровки, оптической связи. Широкозонные полупроводники: GaN, CdS, ZnO, Ga₂O₃, ZnS, SiC — обычно применяются благодаря сильной УФ поглощающей способности. ZnO с запрещенной зоной ~3,37 эВ и высокой энергией связи экзитона (~60 мэВ) при комнатной температуре стал фокусом исследований для коротковолновой оптоэлектроники.

ZnO-базированные УФ-фотодетекторы изучались на одно кристаллах, тонких пленках, наноструктурах. Одномерные ZnO архитектуры, включая наностержни и нанопроводники, улучшают фотодетекцию за счет улучшения переноса носителей и поверхностного взаимодействия. Более того, гетероструктуры — такие как n-ZnO/n-GaN — изотипные переходы — выигрывают от решеточного совпадения и сравнимых запрещенных зон (3,37 эВ ZnO и 3,39 эВ GaN), ведущих к эффективной генерации носителей под освещением.

Квантовые точки (QD) часто интегрируют с ZnO для увеличения разделения зарядов и транспорта. Графеновые квантовые точки (GQD), с размерно-зависимыми запрещенными зонами и сильным оптическим поглощением, стали перспективными поглотителями света для широкополосных фотодетекторов и фотоэлектрических элементов. Предыдущие работы показывали, что GQD усиливают фотток и скорость ответа при декорировании ZnO наностержней или полимерных Шотткиевых переходов. Однако влияние GQD на n-ZnO/n-GaN изотипные гетероструктуры не сообщалось.

В этом исследовании представлен n-ZnO/n-GaN изотипный гетероструктурный УФ-фотодетектор, декорированный GQD, изготовленный простым методом. GQD-декорированное устройство демонстрирует заметно более высокий фотток и улучшенную воспроизводимость по сравнению с голой гетероструктурой, благодаря синергическому взаимодействию ZnO, GaN и GQD.

Методы / Эксперимент

Подготовка n-ZnO/n-GaN гетероструктуры

Аналитически чистые реактивы от Sigma-Aldrich без дополнительной очистки. n-GaN тонкие пленки осаждали на Al₂O₃ подложках металло-органическим химическим осаждением из паровой фазы (MOCVD). n-ZnO наностержневые массивы затем выращивали прямо на GaN пленке гидротермальным процессом. Водный раствор 0,025 M ацетата цинка дигидрата и 0,025 M гексаметилентетрамина переносили в тефлоновую автоклав и нагревали при 95 °C 12 ч. После охлаждения образцы промывали дистиллированной водой и сушили на воздухе.

Синтез GQD

GQD приготовили гидротермальным углеродированием лимонной кислоты (CA) в щелочных условиях. Смесь 0,21 г (1 ммоль) CA и 0,12 г (3 ммоль) NaOH растворили в 5 мл воды, перемешали до прозрачности, поместили в 20-мл тефлоновую автоклав. Нагрели до 160 °C 4 ч, затем охладили. GQD изолировали добавлением этанола, центрифугированием 10000 об/мин 5 мин, ультразвуковой очисткой этанолом трижды. Полученный твердый остаток легко диспергировался в воде.

Фабрикация УФ-фотодетектора

Al₂O₃ подложка с n-ZnO/n-GaN гетероструктурой промывали дистиллированной водой и этанолом, сушили при 60 °C. GQD спин-коатили на гетероструктуру, затем слой PMMA и ICP травление. Устройство закрыли индиум-олово оксидом (ITO) и Ag электрод на GaN для омического контакта. Эффективная площадь гетероструктуры ~5×5 мм². Схема процесса на Схеме 1.

Характеризация

Полевой-эмиссионная SEM (FE-SEM) изучала морфологию ZnO наностержней. HRTEM оценивала распределение размеров GQD. UV-Vis спектры на Lambda 25 спектрофотометре. Фотосвечение (PL) на Shimadzu RF-5301. XPS на ThermoFisher-250XI с Al Kα излучением. XRD на Bruker D8 Advance. Раман на PerkinElmer 400F. Фотток измеряли на Keithley 4200 под 300 мВт/см² ксеноновой лампой (365 нм).

Результаты и обсуждение

Рис. 1a: SEM равномерно выросших ZnO наностержней на Al₂O₃ подложке с GaN. Поперечный SEM (рис. 1b) показывает толщины слоев: 20 мкм (подложка), 6 мкм (GaN), 4 мкм (ZnO). XRD (рис. 1c) показывает объединенные (002) пики GaN и ZnO, подтверждая вюрцитовую структуру и рост вдоль [001]. Раман (рис. 1d) D и G полосы ~1360 и ~1600 см⁻¹, указывающие на sp² графитовую структуру и краевые дефекты GQD.

Рис. 2a,b: TEM и HRTEM GQD, раскрывающие равномерное распределение размеров со средним боковым измерением 3,0 ± 0,6 нм и решетчатый период 0,21 нм. UV-Vis (рис. 2c) показывает выраженную π–π* пик при 240 нм и плечо около 310 нм (n–π* C=O). PL пик 442 нм от π→π* переходов. XPS обзор (рис. 2d) подтверждает C 1s 284,5 эВ и O 1s 531,4 эВ; высокое разрешение (рис. 2e,f) показывает C=C (284,8 эВ) и O=C–O (288,7 эВ) связи, согласующиеся с ароматическими GQD.

Рис. 3a: равномерная декорация GQD на ZnO наностержнях. UV-диффузно-отражательные спектры (рис. 3b) показывают ~20 % более высокое УФ поглощение для GQD-декорированных наностержней по сравнению с голым ZnO, усиливая фотоответ. PMMA дает пренебрежимое поглощение в 300–350 нм, поэтому его влияние на характеристики минимально.

Рис. 4a,b: I-V характеристики в темноте и под 365 нм. Темновой ток остается низким, с небольшим увеличением после покрытия GQD. Под УФ GQD-декорированное устройство дает фотток 0,4 мА при 1,5 В — более 40× выше темнового тока, тогда как голое устройство показывает пренебрежимую смену.

При 10 В смещении временно-зависимый фотток (рис. 5a) показывает быстрый нарастание и спад, указывая на быстрый ответ. Время нарастания 100 мс (GQD) против 260 мс (голый); затухание 120 мс против 250 мс. Ответственность при 25–120 мВт/см² от 34 до 12,9 мА/Вт. Максимальная детектируемость достигает ~10¹² Джонс, превосходя многие ZnO-детекторы.

Схема 2 иллюстрирует механизм фотоответа. Поверхностная адсорбция кислорода образует зону обеднения; УФ освещение генерирует электрон-дырки пары, фотогенерированные дырки нейтрализуют адсорбированный кислород, уменьшая ширину зоны обеднения и повышая проводимость. GQD усиливают инъекцию электронов в ZnO, еще больше повышая концентрацию носителей и ускоряя ответ.

Заключение

GQD декорация на n-ZnO/n-GaN изотипных гетероструктурах заметно улучшает фотток и скорость ответа под УФ освещением. Гибридное устройство достигает фоттока 0,4 мА при 1,5 В — более 40× темнового тока — и демонстрирует миллисекундное переключение. Прирост производительности обусловлен эффективной иммобилизацией GQD, служащих поглотителем света и донором электронов, и благоприятным выравниванием зон, облегчающим быстрое разделение носителей. Работа демонстрирует потенциал GQD-сенсибилизированных гетероструктур для высокопроизводительных УФ-фотодетекторов и указывает путь для будущих много-композитных оптоэлектронных устройств.

Аббревиатуры

FE-SEM

Field-emission scanning electron microscope (полево-эмиссионная сканирующая электронная микроскопия)

GQDs

Graphene quantum dots (графеновые квантовые точки)

HR-TEM

High-resolution transmission electron microscopy (высокое разрешение передаточной электронной микроскопии)

ICP

Inductively coupled plasma (индуктивно-сопряженная плазма)

ITO

Indium tin oxide (индиум-олово оксид)

MOCVD

Metal-organic chemical vapor deposition (металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы)

PMMA

Polymethylmethacrylate (полиметилметакрилат)

XPS

X-ray photoelectron spectroscopy (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия)

XRD

X-ray diffractometer (рентгеновский дифрактометр)

ZNRA

ZnO nanorod array (ZnO наностержневой массив)