Гибкий УФ-фотодетектор на массиве микропроводов ZnO на подложке PVA: низкая стоимость, высокая чувствительность и надежная гибкость

Аннотация

Носимая электроника требует неорганических полупроводников, которые можно изготовить на гибких, недорогих подложках. В этой работе мы представляем новый ультрафиолетовый (УФ) фотодетектор (ФД), включающий плотный массив микропроводов ZnO, встроенных в пленку поливиниловый спирт (PVA). Устройство демонстрирует замечательную фоточувствительность 29,6 А/Вт в диапазоне 350–380 нм при низком темновом токе (1,4 мкА при 5 В) и быстром времени отклика 4,27 мс. Важно, что ФД сохраняет полную функциональность даже при изгибе на 180° или радиусе, близком к нулю, что подчеркивает его пригодность для мониторинга УФ в реальном времени в носимых приложениях.

Введение

УФ-детекция критична для астрономии, экологической безопасности и биомедицинской диагностики. Избыточная УФ-экспозиция может мутировать ген-подавитель опухолей p53, повышая риск рака кожи, что делает персональный УФ-мониторинг необходимым. Развитие носимых устройств позволяет непрерывный, индивидуальный учет УФ-экспозиции, но требует фотодетекторов, надежно работающих под механическими нагрузками. Оксид цинка (ZnO) — широкополосный II-IV полупроводник (3,37 эВ при 300 К) с большой энергией связи экзитона (60 мэВ), что делает его идеальным материалом для УФ-фотоники. Хотя наноструктуры ZnO — наностержни, нанопровода, наноленты и др. — широко изучались, масштабируемое производство и гибкая интеграция остаются сложными. Обычные гибкие подложки, такие как PET и PU, часто деградируют при высоких температурах, необходимых для роста ZnO, а их шероховатые поверхности могут снижать чувствительность устройств.

Наше исследование решает эти ограничения, встраивая микропровода ZnO в низкотемпературную гибкую матрицу PVA. PVA обеспечивает превосходную гибкость, низкую стоимость и совместимость с растворимым осаждением, позволяя изготовить надежный, гибкий УФ-фото-детектор с высокой фоточувствительностью.

Методы/Эксперимент

Массив микропроводов ZnO рос химическим осаждением из пары (CVD) на сапфировой подложке. Высокочистый цинковый порошок (99,99%) нагревали до 980 °C в азоте, затем вводили кислород, производя микропровода ZnO диаметром 40–50 мкм и длиной 3–5 мм (Рис. 1b). После роста микропровода переносили на стеклянный слайд, покрывали 1 мл жидкого клея PVA и сушили при 60 °C в течение 1 часа. PVA с встроенными микропроводами отдирали от стекла, и осаждали пять пар золотых интердигитированных электродов (зазор 100 мкм, длина пальца 200 мкм) для завершения устройства (Рис. 2). Электрические и фотовольтные измерения проводили при комнатной температуре с использованием системы характеристики полупроводников Agilent B2901A.

Структурная характеризация включала СЭМ (ZEISS Gemini 500), оптическую микроскопию, рентгеновскую дифракцию (Bruker D8 ADVANCE) и абсорбционную спектроскопию с He-Cd лазером (325 нм). Расчеты теории функционала плотности (DFT) (SIESTA, PBE-GGA) оценивали изменения запрещенной зоны под осевым растяжением и сжатием.

Результаты и обсуждение

СЭМ-изображения подтверждают равномерные микропровода диаметром 40–50 мкм и длиной несколько миллиметров (Рис. 1b). Рентгеновская дифракция показывает чистую вурцитовую фазу (Рис. 1c), а спектр поглощения указывает на низкую плотность дефектов (Рис. 1d). Устройство демонстрирует омическое ВАХ в темноте и выраженный фотокондуктивный ток под 380 нм освещением (Рис. 4). Высокая чувствительность (29,6 А/Вт) возникает из-за отличного контакта микропровод-PVA и эффективного извлечения зарядов через золотые электроды.

Тесты на гибкость демонстрируют стабильную работу при изгибе 0°, 90° и 180° (Рис. 3). Хотя изгиб вводит пьезоэлектрические поверхностные заряды, слегка снижающие фотокондуктивный ток, устройство сохраняет >0,9 А/Вт чувствительность даже при 180° (Рис. 7). Снижение запрещенной зоны с 3,37 эВ (плоское) до 3,29 эВ (полностью изогнутое) коррелирует с измеримым красным сдвигом пика фотовольтного отклика (Рис. 5). DFT подтверждает, что осевое напряжение модулирует зонную структуру, поддерживая экспериментальные наблюдения (Рис. 6).

Динамика затухания фотокондуктивного тока улучшается при изгибе: времена затухания сокращаются с 6,18 мс (плоское) до 4,27 мс (180°), в то время как время нарастания остается ограниченным 30 нс лазерным импульсом (Рис. 8). Ускоренная рекомбинация приписывается снижению барьеров поверхностной рекомбинации, вызванных пьезоиндуцированными электрическими полями.

Заключение

Мы продемонстрировали простой, низкозатратный путь изготовления гибкого УФ-фотодетектора на массиве микропроводов ZnO, встроенном в подложку PVA. Устройство обеспечивает высокую чувствительность (29,6 А/Вт), низкий темновой ток и время отклика менее 5 мс, сохраняя производительность под экстремальным изгибом. Эти атрибуты делают ФД убедительным кандидатом для носимого УФ-мониторинга и предполагают его применимость к другим гибким оптоэлектронным компонентам.

Аббревиатуры

CVD

Химическое осаждение из пары

EBE

Электронно-лучевое испарение

MOCVD

Металлоорганическое химическое осаждение из пары

MSM

Металл-полупроводник-металл

MWs

Микропровода

PD

Фотодетектор

PET

Полиэтилентерефталат

PLD

Лазерное осаждение

PVA

Поливиниловый спирт

RFMS

Радиочастотное магнетронное спуттерирование

UV

Ультрафиолет