Высококачественные In₂S₃ квантовые точки, синтезированные при комнатной температуре, для ультрачувствительных UV фото-детекторов

Аннотация

В этом исследовании мы представляем простой синтез In₂S₃ квантовых точек (КТ) при комнатной температуре, дающий превосходное кристаллическое качество и узкое распределение размеров. Используя сульфид натрия, хлорид индия и додецилсульфат натрия как поверхностно-активное вещество, мы получили монодисперсные КТ со средним диаметром 2 нм. Фото-детекторы, изготовленные из этих КТ, демонстрируют детектируемость ~10¹³ Джонс под 365 нм UV освещением при комнатной температуре, подсвечивая их обещание для высокопроизводительных, низкостоимостных оптоэлектронных устройств.

Предыстория

Двумерные и нульмерные наноматериалы перевернули оптоэлектронику благодаря их исключительным электронным и оптическим свойствам [1, 2]. Квантовые точки (КТ) в частности предлагают настраиваемую запрещенную зону и высокие квантовые выходы фоtolюминесценции, делая их привлекательными для фотоэлектрики, фото-детекторов, био-образования и фото катализа [3–10]. Среди III-VI полупроводников, сульфид индия (In₂S₃) КТ демонстрируют прямую запрещенную зону и благоприятную термическую и механическую стабильность, однако конвенциональные пути синтеза — гидротермальные, шаблонные, микроволновые — часто ограничены высокой температурой, длительным временем реакции или сложной пост-обработкой [12–15].

Для преодоления этих вызовов мы сообщаем о мягком, сурфактант-помогаемом синтезе, производящем стабильные, высококачественные In₂S₃ КТ при атмосферном давлении и комнатной температуре. Полученные КТ тщательно характеризованы, и их потенциал в UV фото-детекции демонстрируется через фабрикацию устройств и метрики производительности.

Методы

Материалы

Сульфид натрия (Na₂S·9H₂O), хлорид индия (InCl₃·4H₂O), додецилсульфат натрия и 300 Da регенерированная целлюлозная диализирующая мембрана приобретены у коммерческих поставщиков и использованы без дальнейшей очистки.

Фабрикация In₂S₃ КТ

Синтез следует двухступенчатому протоколу смешивания (рис. 1a). 0,1 М Na₂S и 0,1 М InCl₃ растворы готовили в деионизированной воде. Каждый раствор смешивали с 0,008 М SDS и перемешивали 1500 об/мин 20 мин для генерации монодисперсных комплексов. Затем Na₂S-SDS смесь добавляли к InCl₃-SDS раствору, инициируя быструю реакцию, дававшую желтую суспензию за 10 мин. Продукт вымывали центрифугированием (3000 об/мин, 5 мин) и очищали диализом. Финальные КТ собирали внутри диализирующего мешка.

a — схема синтеза In₂S₃ КТ; b — ТЭМ изображение и распределение размеров (Гауссов фит); c–e — HRTEM изображения с FFT вставкой выбранной области; f — РЭМ изображение; g — XRD паттерн; h — Рамановский спектр; i — линейный профиль решетчатых периодичностей в (d); j — АФМ изображение; k — анализ высоты выбранных КТ.

Характеризация

Высокорезервирующая ТЭМ (JEM-2100, 200 кВ) изучала морфологию частиц. РЭМ (FEI Quanta 200) и АФМ (SPA-400) давали поверхностные и топографические данные. XRD (Rigaku D/Max-RA) и Раман (Renishaw in via) оценивали кристалличность. UV-vis, UV-vis-NIR (UV-3600) и флуоресценция (Hitachi F-7000) спектроскопии квантифицировали оптические свойства. XPS (PHI Versa Probe II) верифицировала поверхностную химию. Электрическая производительность оценивали на Keithley 2400 для J-V кривых и Keysight B1500A для C-V измерений.

Результаты и обсуждение

Исследования структуры и морфологии

Рис. 1b–e показывают, что In₂S₃ КТ сфероидальны, равномерно распределены и демонстрируют узкое распределение размеров по Гауссу (1–3 нм, FWHM = 1,12 нм; среднее = 2,02 нм). HRTEM раскрывает решетчатые периодичности 0,271 нм, 0,311 нм и 0,373 нм, соответствующие 400, 222 и 220 плоскостям кубической фазы [18]. FFT паттерн подтверждает хорошо определенную кристаллическую структуру. РЭМ изображения указывают, что КТ агрегируются в компактные кластеры, снижая поверхностную энергию. XRD пики совпадают с 400, 222, 220 плоскостями, размеры частиц по уравнению Шеррера согласуются с ТЭМ. Рамановские пики при 304 см⁻¹ и 930 см⁻¹ консистентны с литературой [19]. АФМ измерения высоты (1,53–2,35 нм) корроборируют ТЭМ размер, давая среднюю высоту 1,94 нм.

По уравнению Брюса, КТ демонстрируют квантово-ограниченную запрещенную зону 3,50 эВ, превышающую объемную 2,3 эВ. UV-vis абсорбционные спектры показывают два пика при 225 нм и 283 нм (рис. 2a). Запрещенная зона также извлекали из (αhv)² vs hv графиков, давая 3,54 эВ, в отличном согласии с теоретической оценкой.

a — UV-vis абсорбция; вставка: оценка запрещенной зоны. b — PL эмиссия (300–450 нм). c — PLE спектры; вставка: флуоресценция под видимым и 365 нм UV. d — XPS полный скан. e — XPS S 2p. f — XPS In 3d₅/₂ и 3d₃/₂.

PL пики около 390 нм при возбуждении 250 нм подтверждают сильную UV флуоресценцию, в то время как PLE пики при 500–540 нм иллюстрируют расширенный абсорбционный диапазон из-за квантового ограничения. XPS подтверждает наличие In–S и S–C связей, с минорными Cl, Na, O, C от реагентов и сурфактанта.

Фото-детекторы, изготовленные с этими КТ (рис. 3a), демонстрируют чувствительность 4,13 А/Вт при 1 В и детектируемость 1×10¹³ Джонс при 365 нм UV, превосходя многие 2D наноматериал устройства [24, 25]. I-V характеристики показывают выпрямляющее поведение, масштабирующееся с обратным смещением и плотностью инцидентной мощности.

a — схема фабрикации устройства. b — голые Au электроды. c–d — оптические микрографы КТ-заполненных электродов. e–h — производительность устройства: J-V, log-J-V, R-V и D* кривые.

Температурно-зависимые измерения сопротивления (рис. 4b) раскрывают незначительное снижение с ростом температуры, в то время как ln ρ vs 1/T анализ дает термическую активационную энергию 0,011 эВ и finger-leading фактор 4,16×10⁸ Ом·см. Емкостно-частотные исследования (рис. 4d) указывают на интерфейсные состояния, гасящие AC сигналы на высоких частотах. C-V профилирование дает встроенный потенциал 0,6 В и концентрацию носителей 4,3×10¹⁹ см⁻³, ведущую к ширине обедненной зоны 12,34 нм (рис. 4f). Эти параметры сравнимы или превосходят те, что сообщали для графеновых КТ устройств [30, 31], объясняя превосходную фото-детекторную производительность.

a — фото-детектор с КТ активным слоем. b — R-T при 1 В и 2 В. c — ln ρ-1/T. d — C-F кривые. e — C-V при 40 МГц. f — 1/C² vs V анализ.

Заключение

Мы установили быстрый, низкотемпературный путь к производству кристаллических In₂S₃ КТ со средним размером 2 нм и узким распределением размеров. Эти КТ служат эффективным автономным фотоактивным слоем в UV фото-детекторах, достигая рекордной детектируемости 2×10¹³ Джонс при комнатной температуре под 365 нм освещением без усиления. Простота метода, низкая стоимость и масштабируемость позиционируют его как убедительную платформу для высокопроизводительных, больших площадей In₂S₃ КТ фото-детекторов.

Аббревиатуры

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

CMC:

Критическая мицеллообразовательная концентрация

FFT:

Быстрое преобразование Фурье

FWHM:

Полная ширина на полувысоте

HRTEM:

Высокорезервирующая трансляционная электронная микроскопия

PL:

Фоtolюминесценция

PLE:

Фоtolюминесцентное возбуждение

QDs:

Квантовые точки

SDS:

Додецилсульфат натрия

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

TEM:

Трансляционная электронная микроскопия

XPS:

X-лучевая фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновский дифрактометр