In2S3 Quantum Dots:preparación, propiedades y aplicación optoelectrónica

Resultados y discusión

Estudios de estructura y morfología

Imágenes TEM del In ₂ S ₃ Los QD se muestran en la figura 1b-e. Se puede ver que en ₂ S ₃ Los QD se distribuyen uniformemente y presentan una morfología de esferoides. Su distribución de tamaño de partículas sigue la distribución de Gauss con un tamaño que varía de 1 a 3 nm y FWHM de 1,12 nm. La partícula tiene un tamaño medio de 2,02 nm. Las figuras 1c-e son imágenes HRTEM de In ₂ S ₃ QD mostrando sus franjas de celosía para d =0.271 nm, 0.311 nm y 0.373 nm, correspondientes al sistema de cristal cúbico de 400, 222 y 220 planos de celosía, respectivamente [18]. La figura 1i muestra un perfil longitudinal de las franjas de celosía mostradas en la figura 1d. El patrón de la transformada rápida de Fourier (FFT) de la región seleccionada (cuadrado rojo punteado) se muestra en el inserto de la Fig. 1d, que revela seis puntos brillantes de la difracción del plano 400, lo que indica la estructura cristalina del sistema hexagonal. La imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) del preparado In ₂ S ₃ Las QD se muestran en la Fig. 1f. Como se muestra, el In ₂ S ₃ Los QD se aglomeraron para formar una estructura relativamente compacta con el fin de reducir su energía superficial. Planos de difracción de rayos X (XRD) a 400, 222 y 220 de In ₂ S ₃ Los QD se muestran en la Fig. 1g y el tamaño de partícula calculado usando la fórmula Sheer concuerda bien con el tamaño medido desde el plano 400 de la imagen HRTEM. La figura 1h muestra el espectro Raman de In ₂ S ₃ QD con picos típicos a 304 cm ⁻¹ y 930 cm ⁻¹ [19]. Se realizó microscopía de fuerza atómica (AFM) en cuatro In ₂ seleccionados al azar S ₃ QD, marcados como A, B, C y D como se muestra en la Fig. 1j, con alturas medidas de 1,53 nm, 2,35 nm, 1,35 nm y 2,32 nm (mostradas en la Fig. 1k), respectivamente. La altura promedio de 1,94 nm de la medición de AFM es muy cercana a la obtenida del TEM.

La banda prohibida estimada de In ₂ S ₃ QDs es 3.50 eV, que es mayor que su valor global de 2.3 eV, debido al efecto cuántico. La banda prohibida se calculó mediante la ecuación de Brus:

donde E _np es la banda prohibida de los QD, E _g es la banda prohibida de volumen en ₂ S ₃ (2.3 eV), \ (\ overline {h} \) =h / 2π es la constante de Planck reducida, e es la carga del electrón, m _e * es la masa efectiva del electrón, m _h ^* es la masa efectiva del agujero, m _e ^* = m _h ^* (0,25 × 10 ⁻²⁸ g), R es el radio de la partícula y ε es la constante dieléctrica ( ε = 11).

La Figura 2a muestra los espectros de absorción ultravioleta-visible (UV-vis) del In ₂ S ₃ QDs. Hay dos picos característicos de absorción ubicados a 225 nm y 283 nm [20]. Desde En ₂ S ₃ es un material de banda prohibida directa, su banda prohibida óptica se puede expresar mediante la siguiente ecuación:

donde α es el coeficiente de absorción, A es una constante, hv es la fotoenergía y Ej. es la energía de la banda prohibida.

un Espectros de absorción UV-vis de In ₂ S ₃ Solución acuosa QDs. Recuadro:una estimación de la energía de la banda prohibida ( E _g ). b Espectros de emisión PL. c Espectros de excitación PL (PLE), recuadro:imagen de luminiscencia bajo una fuente de luz visible y de 365 nm. d El espectro de escaneo completo de XPS. e Espectro XPS S2p. f XPS In3d _3/2 e In3d _5/2 espectro

La energía de la banda prohibida de los QD se puede estimar a partir de la curva de ( αhv ) ² versus fotoenergía ( hv ). El E estimado _g de 3.54 eV, como se muestra en el recuadro de la Fig. 2a, está muy cerca del valor calculado usando la ecuación de Brus ( E _np =3,50 eV). Se realizaron estudios de fotoluminiscencia (PL) y excitación de fotoluminiscencia (PLE) [21] para investigar las propiedades ópticas del In ₂ S ₃ QDs. Se puede ver en la Fig. 2b que hay un pico de emisión a una longitud de onda entre 300 y 450 nm, y el pico de intensidad más fuerte se centra en ~ 390 nm bajo la excitación de E _x =250 nm. Los espectros PLE de la Fig. 2c muestran que las longitudes de onda de los picos de excitación característicos son más cortas que las longitudes de onda de recepción (500–540 nm). La ampliación de la brecha energética de In ₂ S ₃ Los QD en comparación con su material a granel también pueden demostrarse mediante los resultados de PL y PLE. La fluorescencia del In ₂ S ₃ Los QD bajo luz visible y luz UV de 365 nm se muestran en el inserto de la Fig. 2c. Esto demuestra que el In ₂ S ₃ Los QD poseen buenas propiedades de fluorescencia UV. También se realizó espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) para estudiar los enlaces químicos del In ₂ S ₃ QDs. La Figura 2d muestra el espectro de escaneo completo de XPS, que consta de S2p a 162.5 eV, In3d _5/2 a 444,5 eV e In3d _3/2 a 452,5 eV. Además, hay Cl, Na, O y C residuales del tensioactivo y el reactivo. Los picos del nivel del núcleo de S2p e In3d se muestran en la Fig. 2e, f respectivamente. Los picos deconvolucionados revelan los estados de unión de S2p (In-S, C-S), In3d _5/2 . (In-S, In-O) e In3d _3/2 (In-S, In-O).

Como en ₂ S ₃ Los QD demostraron excelentes propiedades de absorción ultravioleta, fotodetector UV basado en In ₂ S ₃ Los QD fueron fabricados e investigados. El proceso de preparación se ilustra en la Fig. 3a.

un Diagrama esquemático que ilustra el proceso de fabricación del In ₂ S ₃ Detector fotovoltaico UV QDs. b Electrodo sin QD. c - d Imágenes microscópicas ópticas del In ₂ S ₃ Fotodetector QDs a diferentes aumentos. e - h Rendimiento del In ₂ S ₃ Detector de QDs. e J-V curvas. f Registro (J) -V curvas. g R (capacidad de respuesta) -V curvas. h D *

La especificación de los electrodos interdigitados de Au es similar a la informada por Tang. et al. [22], que consta de electrodos con un espesor de 400 nm, una longitud de 120 μm y una anchura y espaciado de 10 μm. La figura 3b muestra una imagen óptica de electrodos vacíos. La Fig. 3c, d muestra las imágenes microscópicas ópticas que muestran el espaciado de los electrodos llenos de In ₂ S ₃ QD, que actuaba como una capa fotosensible. La densidad de corriente medida frente al voltaje ( J - V ) y log ( J - V ) curvas del dispositivo en condiciones de oscuridad, irradiadas por 0,16 mW cm ⁻² y 0,47 mW cm ⁻² La densidad de potencia de luz UV de 365 nm se muestra en la Fig. 3e, f respectivamente. Se observa un aumento en la densidad de corriente cuando aumenta la densidad de potencia irradiada, demostrando así las características de un rectificador. La responsividad ( R ) y detectividad ( D * ) del fotodetector se calculan utilizando las siguientes ecuaciones:

donde J _ph es la densidad de fotocorriente, P _optar es la densidad de potencia de la foto, q es la carga absoluta de electrones (1,6 × 10 ⁻¹⁹ culombios) y J _d es la densidad de corriente oscura [23]. De la Fig. 3g, el valor máximo de R es 4.13 A W ⁻¹ , que es significativamente más grande que el del grafeno y muchos otros dispositivos nanomateriales bidimensionales [24, 25] y se ve que aumenta con un aumento en el voltaje de polarización inversa. Como se muestra en la Fig. 3h, la D * se estabiliza en alrededor de 10 ¹³ Jones.

un Fotodetector con In ₂ S ₃ QDs como capa activa. b Gráfico de R-T a 1 V y 2 V. c Gráfico de ln (ρ) -1 / T- dispositivos basados ​​en 1 V. d C-F curvas medidas a temperatura ambiente. e El C-V fotodetector basado en curvas (40 MHz) en condiciones de oscuridad. f Variación de la capacitancia con voltajes aplicados y gráficos de 1 / C ² vs . V del dispositivo

Las imágenes ópticas de electrodos vacíos y los llenos de In ₂ S ₃ Los QD se muestran en la Fig. 4a. La trama de R - T medido desde el In ₂ S ₃ El fotodetector basado en QDs a un voltaje de 1 V y 2 V se muestra en la Fig. 4b. Muestra que un aumento de temperatura ha provocado una disminución de la resistencia; sin embargo, no presenta una relación lineal simple. Para comprender las propiedades eléctricas del In ₂ S ₃ QD, el ln (ρ) -1 / T del dispositivo y los resultados se muestran en la Fig. 4c. Usando las dos ecuaciones modelo [26]:

donde N es el número de electrodos interdigitados, w es la longitud superpuesta, l es el espaciado y d es el espesor de la película [27]. Usando una regresión lineal simple, la energía de activación térmica calculada ( E _a ) es de 0,011 eV y los factores de avance del dedo ( A ) es 4,16 × 10 ⁸ Ω ° cm. La energía de activación térmica de In ₂ S ₃ Los QD podrían reducirse siempre que la energía obtenida sea suficiente para que los portadores participen en la conducción, lo que puede resultar en una menor resistividad y una mayor conductividad.

Generalmente, C - V Las mediciones pueden proporcionar mucha información importante sobre la naturaleza de la interfaz del semiconductor y el transporte de carga. La figura 4d muestra que la capacitancia disminuye al aumentar la frecuencia y la disminución de la capacitancia es significativa a bajas frecuencias. Esto se debe a los estados de la interfaz, que responden a la señal de corriente alterna, y la presencia de los estados de la interfaz suprimiría la señal de CA a alta frecuencia, dando como resultado una tendencia debilitada o una capacitancia constante. La Figura 4e muestra el C-V curvas de In ₂ S ₃ Fotodetector basado en QD a temperatura ambiente con una frecuencia de 40 MHz . El C-V La relación bajo un sesgo se puede expresar como [28]

donde V _bi es el potencial incorporado con sesgo cero, ε ₀ es la permitividad del vacío, ε _r es la permitividad relativa de un material, N es la concentración de portador en la capa de agotamiento y S es el área fotosensible (3,3 mm ² ). La intersección con el eje x es V _bi =0,6 V, y la concentración de portador N se puede calcular a partir de la pendiente de la sección lineal de 1 / C ² frente a V trama [29]:\ (N =\ frac {-2} {q {\ varepsilon} _0 {\ varepsilon} _r {A} ^ 2} {\ left [\ frac {\ parcial \ left ({C} ^ { -2} \ right)} {\ parcial V} \ right]} ^ {- 1} \), y el N calculado =4,3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . El ancho de agotamiento ( W _d ) está entre el electrodo y el In ₂ S ₃ Capa de QD, expresada como \ ({W} _d ={\ left [\ frac {2 {\ varepsilon} _0 {\ varepsilon} _r \ left ({V} _ {bi} -V \ right)} {qN} \ derecha]} ^ {1/2} \), el W calculado _d = 12,34 nm. Estos parámetros físicos se muestran en la Fig. 4f. Es evidente que el V _bi y W _d son los mismos que los dispositivos QD similares (como los puntos cuánticos de grafeno) [30], pero el N es mayor en un orden de magnitud con sesgo cero. Esto explica el excelente rendimiento del dispositivo en comparación con otros dispositivos QD [31].