Propiedades fotoeléctricas del infrarrojo cercano de nanofilms bi2O2Se multicapa

Resumen

Las propiedades fotoeléctricas del infrarrojo cercano (NIR) de Bi ₂ multicapa O ₂ Se estudiaron sistemáticamente nanofilms en este artículo. Bi ₂ multicapa O ₂ Se nanofilms demuestran una respuesta fotográfica sensible al NIR, incluida una alta fotorrespuesta (~ 101 A / W), un tiempo de respuesta rápido (~ 30 ms), una alta eficiencia cuántica externa (~ 20,300%) y una alta tasa de detección (1.9 × 10 ¹⁰ Jones). Estos resultados muestran que el dispositivo basado en Bi ₂ multicapa O ₂ Las nanofilms de se pueden tener un gran potencial para futuras aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos NIR ultrarrápidos y altamente sensibles.

Antecedentes

Los fotodetectores de infrarrojos (IR) han sido ampliamente investigados y estudiados desde sus delicadas aplicaciones en dominios militares, comerciales, públicos y académicos [1, 2, 3]. En la última década, los materiales bidimensionales (2D), por ejemplo, el grafeno, los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) y el fósforo negro, han crecido como candidatos prometedores con un gran potencial para aplicaciones infrarrojas [4, 5, 6, 7, 8 , 9]. Debido a las intrigantes propiedades de los materiales 2D, que incluyen el grosor ultrafino, la flexibilidad altamente mecánica, la banda prohibida adecuada y sintonizable, las características optoelectrónicas ultrarrápidas y las heteroestructuras de van der Waals de fácil adaptación, los materiales en capas 2D se han considerado los medios de infrarrojos competitivos para la próxima generación. fotodetectores [10,11,12].

Muy recientemente, la oxiselenida de bismuto en capas (Bi ₂ O ₂ Se) fue descubierto como un prometedor semiconductor 2D con alta movilidad de electrones, fotorrespuesta ultrarrápida, excelente estabilidad ambiental y fácil acceso a grandes producciones a través de un sencillo método de deposición química en fase de vapor (CVD), lo que lo hace atractivo para aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas [7, 8, 13, 14, 15]. Previamente, He Jun et al. [7] y Peng Hailin et al. [8] informó sucesivamente que Bi ₂ O ₂ Se poseían excelentes propiedades fotoeléctricas al infrarrojo cercano (NIR). Sin embargo, se preocuparon principalmente por Bi ₂ de capa fina O ₂ Se (espesor ~ 7 nm). Estudios previos con respecto a otros materiales 2D, como MoS ₂ [16] y MoSe ₂ [17, 18], mostró que las nanoflakes multicapa también poseían un rendimiento fotoeléctrico extraordinario en comparación con las monocapa o las de capa fina. De hecho, Bi ₂ multicapa O ₂ Se puede ser más atractivo que Bi ₂ de capa fina O ₂ Se para aplicaciones FET en la configuración de transistor de película delgada (TFT) [16, 19]. Por ejemplo, la densidad de estados en Bi ₂ multicapa O ₂ Se es mucho más alto que en Bi ₂ de capa fina O ₂ Se, que puede producir corrientes de excitación considerablemente altas en el límite balístico [13, 14]. En TFT de canal largo, se pueden crear múltiples canales conductores mediante efectos de campo en Bi ₂ multicapa O ₂ Se, que puede aumentar el impulso actual de los TFT, similar a los MOSFET de silicio sobre aislante [19]. Además, Bi ₂ multicapa O ₂ Se ofrece una respuesta espectral más amplia que Bi ₂ de capa fina O ₂ Se, debido a su banda prohibida más estrecha, que puede ser ventajosa en una variedad de aplicaciones de fotodetectores [20]. Sin embargo, Bi ₂ multicapa O ₂ Los fotodetectores basados en se no se han estudiado ampliamente para su uso en electrónica u optoelectrónica.

Por lo tanto, las propiedades fotoeléctricas NIR de Bi ₂ multicapa O ₂ Se (espesor ~ 30 nm) se estudiaron sistemáticamente en este artículo. Bi ₂ multicapa O ₂ El fotodetector basado en se demuestra una fotorrespuesta ultrasensible de 850 a 1550 nm con una buena reproducibilidad a temperatura ambiente. Su fotorrespuesta alcanza 101 A / W a 1000 nm, junto con un tiempo de subida rápido y un tiempo de caída de 30 ms y 60 ms, respectivamente. En comparación con Bi ₂ de capa fina O ₂ Se, Bi ₂ multicapa O ₂ Se tiene una mayor fotorreactividad y eficiencia cuántica externa, mientras que mantiene un tiempo de respuesta relativamente rápido y una alta tasa de detección. Además, la fotocorriente muestra una dependencia lineal de la potencia incidente, lo que ofrece una buena capacidad de sintonización para aplicaciones polivalentes. Estos resultados ofrecen oportunidades para desarrollar la próxima generación de fotodetectores de temperatura ambiente NIR ultrasensibles de alto rendimiento.

Métodos

Crecimiento y caracterización de Bi ₂ O ₂ Se

El Bi ₂ O ₂ Se sintetizaron nanofilms mediante un método de deposición química de vapor (CVD). Bi ₂ O ₃ y Bi ₂ Se ₃ (Alfa Aesar) se ubicaron en el centro del horno tubular horizontal (Lindberg / Blue M), y los sustratos de mica (Tiancheng Fluorphlogopite Mica Company Ltd., China) se colocaron aguas abajo como sustratos. El horno se calentó en primer lugar a 640 ° C con una velocidad de elevación de 30 ° C min ⁻¹ y se mantuvo durante 60 min con un flujo de gas argón. Finalmente, el horno se enfrió a temperatura ambiente de forma natural. Las muestras sintetizadas se caracterizaron mediante microscopio óptico (Olympus BX51), espectro Raman (WiTec 300R), microscopio de fuerza atómica (modo semicontacto, empresa NT-MDT), microscopio electrónico de barrido (empresa FEI). Aquí, el aluminio de 10 nm se evaporó térmicamente en primer lugar para evitar el efecto de carga del sustrato de mica antes de la caracterización SEM.

Fabricación de dispositivos

El fotodetector basado en Bi ₂ multicapa O ₂ Se fabricó mediante una tecnología micro-nano estándar. Los contactos de la fuente y el drenaje se definieron mediante litografía con haz de electrones y, a continuación, se depositó una pila de metal de Cr / 50 nm de Au de 5 nm aplicando evaporación con haz de electrones. Tenga en cuenta que, con el fin de evitar la acumulación de carga en el sustrato de mica durante el proceso EBL, se revistió por centrifugación la fotorresistencia de polímero conductor (SX AR-PC-5000) sobre mica antes del proceso EBL. Finalmente, el dispositivo se adhirió al soporte del chip para una mayor medición fotoeléctrica.

Medición del rendimiento

Las mediciones de fotocorriente se realizaron mediante una plataforma de fotodetección de lámpara de xenón casera (fuente de luz:BETICAL HDL-II). En la medición, se utilizó Keithley 2450 para suministrar el sesgo fuente-drenaje. Al encender / apagar la luz, se recopilaron las corrientes de drenaje en los estados de encendido / apagado. La respuesta fotoeléctrica del dispositivo a diferentes longitudes de onda (850-1550 nm) podría obtenerse sustituyendo diferentes filtros.

Resultados y discusión

Como ilustra la Fig. 1a, Bi ₂ en capas O ₂ Se muestra una estructura tetragonal con un grupo espacial I4 / mmm y consta de capas de óxido planas unidas covalentemente (Bi ₂ O ₂ ) intercalado por matrices cuadradas Se con interacciones electrostáticas relativamente débiles [21]. Este tipo de estructura es similar a la mica. Por lo tanto, Bi ₂ bidimensional O ₂ Hasta ahora, las nanofilms de se han sintetizado sobre el sustrato de mica mediante el método de deposición química en fase de vapor (CVD) [7, 14, 15]. La Figura 1b ilustra una vista óptica de un área grande de Bi ₂ multicapa recién crecida O ₂ Se nanofilms sobre mica. Se ve claramente que las nanofilms son uniformes y casi presentan formas rectangulares. Imágenes de un microscopio de fuerza atómica (AFM) de Bi ₂ O ₂ Se muestran nanofilms en nuestro experimento en la Fig. 1c. Según el espesor teórico de la monocapa (≈ 0,61 nm) [14, 15], 30 nm (Fig. 1d) equivale al espesor de unas 49 capas. La Figura 1e muestra los patrones XRD de Bi ₂ O ₂ Se nanofilms. Los picos discernibles se atribuyen todos a (00l) planos de difracción de Bi ₂ O ₂ Se (la orientación cristalina está a lo largo de c -eje), en consonancia con los estudios anteriores [14]. La característica A _1g pico de Bi ₂ O ₂ Se puede encontrar a ≈ 159,1 cm ⁻¹ en el espectro Raman (Fig. 1f), que está en buena coherencia con los informes anteriores [22]. La Figura 1g muestra la curva I-V típica de Bi ₂ O ₂ Se dispositivo. Una excelente curva I-V lineal indica que se forman los contactos óhmicos. Además, 2D Bi ₂ O ₂ El fotodetector basado en se demuestra una excelente estabilidad ambiental, que es una métrica clave para futuras aplicaciones prácticas [14, 15]. De la Fig. 1h, la longitud y el ancho medidos del dispositivo son 29 μm y 91 μm, respectivamente.

Caracterización de Bi ₂ en capas O ₂ Se nanofilms. un Esquema de Bi ₂ en capas O ₂ Se estructura cristalina. Bola naranja:Bi. Bola roja:O. Bola amarilla:Se. b Imagen óptica típica de Bi ₂ adulta O ₂ Se nanofilms sobre mica. c Imagen AFM de Bi ₂ multicapa O ₂ Se nanofilms. d Información de altura correspondiente. El espesor es de ~ 30 nm. e Patrones XRD. f Espectro Raman excitado mediante láser de 532 nm. g Características de salida de Bi ₂ multicapa O ₂ Se dispositivo, mostrando una excelente estabilidad ambiental incluso expuesto al aire durante 3 meses. El recuadro muestra la imagen óptica del dispositivo. h Imagen SEM de Bi ₂ multicapa O ₂ Se nanofilms, que muestran la información de la nanoestructura de este material. El recuadro es una imagen SEM ampliada

Como muestra la Fig. 2a, la respuesta fotoeléctrica de Bi ₂ multicapa O ₂ Se midió deliberadamente un fotodetector basado en se para NIR. Aquí, discutimos principalmente el rendimiento del dispositivo en la banda de telecomunicaciones (1550 nm), que se aplica ampliamente en dominios militares, comerciales, públicos y académicos. Puede verse en la Fig. 2b que I _DS obviamente crece a medida que aumenta la intensidad de la luz. Además, la curva I-V del dispositivo iluminado no demuestra voltaje de circuito abierto aparente ni corriente de cortocircuito. Este hecho indica que la barrera de Schottky formada entre el electrodo y el material no juega un papel fundamental en la característica de transporte del dispositivo. Por lo tanto, la respuesta fotoeléctrica del material debe provenir principalmente del efecto fotoconductor [10].

Respuesta fotoeléctrica a la banda de telecomunicaciones (longitud de onda 1550 nm) de Bi ₂ multicapa O ₂ Fotodetector basado en se. un Vista esquemática en 3D de Bi ₂ O ₂ Fotodetector basado en se bajo iluminación. b Curvas I-V de Bi ₂ O ₂ Fotodetector basado en se bajo diferentes intensidades de luz. c Comportamientos de fotorespuesta dependientes del tiempo de Bi ₂ O ₂ Se dispositivo con iluminación de luz de 1550 nm ( P =0,26 uW). El recuadro muestra una respuesta fotográfica ultrarrápida del dispositivo. d Fotocorriente y fotorrespuesta de Bi ₂ O ₂ Fotodetector basado en se bajo diferentes intensidades de luz

Para evaluar el rendimiento de los fotodetectores, la fotorrespuesta ( R ), eficiencia cuántica externa ( η ) y detectividad ( D * ) son parámetros críticos que se pueden calcular mediante la siguiente fórmula [10, 17]:

$$ R ={I} _ {ph} / PS $$ (1) $$ \ eta \ left (\ lambda \ right) ={R} _ {\ lambda} hc / q \ lambda $$ (2) $ $ {D} ^ {\ ast} ={I} _ {ph} / P {\ left (2 qS {I} _d \ right)} ^ {1/2} $$ (3)

donde yo _ph es fotocorriente (la diferencia de la corriente de drenaje entre iluminado ( I _i ) y oscuro ( I _d ) estados), P es la intensidad de la luz, S es el área efectiva, h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz, λ es la longitud de onda de la luz y q la carga electrónica. Aquí, asumimos que la corriente oscura es el principal contribuyente al ruido de disparo, por lo que se deduce de la ecuación (3) [7]. Esta simplificación se ha utilizado para evaluar la fotorrespuesta de materiales en capas 2D, como el grafeno [23] y WSe ₂ [24].

Como puede verse en la Fig. 2c, el dispositivo tiene una fotorrespuesta muy estable y repetible a la luz de 1550 nm después de varios ciclos. Su tiempo de respuesta es extremadamente rápido y podría llegar a 30 ms en subida y 60 ms en decadencia, respectivamente. Esto se debe al hecho de que Bi ₂ ultradelgado a medida que crece O ₂ Las nanofilms de Se no tienen estados de trampa superficial y niveles de energía de defectos superficiales. Finalmente, como se muestra en la Fig. 2d, I _ph aumenta monótonamente con P aumentando, siguiendo una relación I ~ P ^α . Aquí, se deduce que α es 0,99 para Bi ₂ O ₂ Se ajustan los datos experimentales, lo que sugiere que la fotocorriente está determinada principalmente por las cantidades de fotón absorbido [7]. La fotorrespuesta de Bi ₂ multicapa O ₂ Los fotodetectores basados en se son alrededor de 68 A / W, lo que exhibe un rendimiento extremadamente alto como fotodetector.

A continuación, el rendimiento de la respuesta fotoeléctrica de Bi ₂ multicapa O ₂ Se estudió sistemáticamente el fotodetector basado en se para las longitudes de onda NIR (850-1550 nm). De acuerdo con el cálculo mediante las fórmulas establecidas (1) - (3), la fotorrespuesta, la eficiencia cuántica externa y la detectividad se demuestran en la Fig. 3. Se puede encontrar que el dispositivo tiene una fotorrespuesta muy alta a la banda NIR, que llega a 101A / W (900 nm). Además, Bi ₂ multicapa O ₂ El fotodetector basado en se posee un η ultra alto , que supera el 20.000% a 850 nm, lo que indica su excelente capacidad de conversión fotoeléctrica. Su tasa de detección puede alcanzar 1,9 × 10 ¹⁰ a 900 nm, mostrando una perfecta relación señal-ruido como fotodetector. En nuestra medición, la corriente oscura del dispositivo siempre se mantiene en un valor relativamente estable (0.5 μA). Por lo tanto, la tendencia de D * (en función de la longitud de onda incidente) es similar a la tendencia de R . Obviamente, en comparación con Bi ₂ de capa fina O ₂ Se informó por Ref. [7] y Ref. [8], Bi ₂ multicapa O ₂ Se tiene mayor capacidad de respuesta fotoeléctrica y eficiencia cuántica externa (voltaje de polarización fuente-drenaje, 1 V, que es el mismo que Ref. [7] y Ref. [8]), mientras que mantiene un tiempo de respuesta relativamente rápido y una alta tasa de detección. Notablemente, Ref. [8] solo informó el tiempo de respuesta intrínseco (1 ps) del material mediante la técnica de bomba-sonda, pero sin tiempo de respuesta del dispositivo de Bi ₂ O ₂ Se fotodetectores [8].

Rendimiento fotoeléctrico NIR de Bi ₂ multicapa O ₂ Fotodetector basado en se. un Fotoresponsividad, b eficiencia cuántica externa y c detectividad en función de las longitudes de onda NIR

En general, los materiales en capas 2D aún no han mostrado una sensibilidad tan alta en el rango de detección NIR. Por ejemplo, los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) suelen tener espacios de banda demasiado grandes para detectar la luz IR [17], mientras que para el grafeno muestra una fotorrespuesta de alta velocidad pero una sensibilidad intrínseca muy baja inferior a decenas de mA / W [25]. Aunque la fotorrespuesta se puede mejorar mediante la fabricación de heteroestructuras atómicas [26, 27, 28], todavía no funciona perfectamente en la detección NIR. En comparación con otros materiales 2D (Tabla 1), Bi ₂ multicapa O ₂ El fotodetector basado en se muestra un rendimiento fotoeléctrico más excelente, especialmente un alto R y un alto η . Notablemente, si se aplicó el grabado químico para optimizar la geometría de Bi ₂ multicapa O ₂ Se nanofilms [15], el rendimiento del dispositivo puede mejorarse aún más.

El proceso físico de foto-respuesta de Bi ₂ O ₂ Los fotodetectores basados en se pueden explicarse mediante un diagrama de bandas de energía simple (Fig. 4a). Sin iluminación y sin aplicar desviación de drenaje, el dispositivo está en su estado de equilibrio y sin flujo de corriente en el canal. Iluminar el dispositivo con luz NIR dará como resultado la absorción de luz y la excitación de pares de agujeros de electrones, que se pueden extraer aplicando un sesgo de drenaje-fuente [29,30,31]. Desde la barrera de Schottky en Bi ₂ O ₂ El contacto entre el metal y el metal es muy bajo, los portadores de carga fotogenerados podrían atravesar fácilmente la barrera [16,17,18]. Por lo tanto, Bi ₂ multicapa O ₂ El fotodetector basado en se exhibió un excelente rendimiento fotoeléctrico.

Mecanismo físico de Bi ₂ multicapa O ₂ Fotodetector basado en se. un El comportamiento de los portadores de carga fotogenerados de Bi ₂ multicapa O ₂ Fotodetector basado en se. Aquí, E _F es la energía del nivel de Fermi, E _C es la banda de conducción mínima, E _V es la banda de valencia máxima. b El proceso de recombinación (estado "encendido" a "estado apagado") de Bi ₂ O ₂ Fotodetector basado en se. Aquí, CB es la banda de conducción, CV es la banda de valencia, E _vac es energía de vacío, EA es afinidad electrónica

Es importante destacar que se debe discutir el mecanismo de rendimiento fotoeléctrico mejorado. En teoría, la adsorción óptica de Bi ₂ multicapa O ₂ Se es más alto que en Bi ₂ de capa fina O ₂ Se, que puede inducir fotocorrientes superiores I _ph [14, 20]. El poder incidente P (x) en función de la distancia x podría expresarse como P (x) =P _en · e ^{−α · x} , donde α es el coeficiente de absorción de Bi ₂ O ₂ Se nanofilms a la energía del fotón incidente. La cantidad de energía absorbida por una losa de Bi ₂ O ₂ Se con espesor Δx a una distancia x desde la superficie es dR _a =- (dP / dx) · Δx . Luego, la potencia total absorbida por Bi ₂ O ₂ Se película de espesor d es R _a =P _en · (1 - e ^{−α · d} ). Para α · d <<1, la potencia absorbida se puede escribir como R _a =P _en · α · d [16, 19]. Aquí, el grosor d de en nuestro experimento es 5 veces y 3 veces de Ref. [7] y Ref. [8], respectivamente. De hecho, Bi ₂ multicapa O ₂ Se nanofilms en nuestro trabajo tendrían una mejor R . Sin embargo, aunque con el aumento de la adsorción óptica, Bi ₂ multicapa O ₂ Se tienen algunos inconvenientes, como una mayor densidad de estados (DOS), lo que provoca más estados de intervalo medio en comparación con la monocapa (o capa fina) [13, 14]. Como muestra la Fig. 4b, cuando el dispositivo pasa del "estado encendido" al "estado apagado", los electrones excitados en bandas superiores de Bi ₂ multicapa O ₂ Se transitará en primer lugar a los estados de intervalo medio y luego volverá a la banda terrestre [16, 17, 19]. En otras palabras, la vida útil del operador τ inevitablemente se inclinará. La misma situación surgirá cuando el dispositivo cambie de "estado apagado" a "estado encendido". Curiosamente, en comparación con trabajos anteriores, Bi ₂ multicapa O ₂ Las nanofilms todavía tienen un tiempo de respuesta rápido, que se satisface en muchas aplicaciones [1, 2, 3]. Esto significa que la existencia de estados de intervalo medio puede no ser perjudicial para el rendimiento dinámico de Bi ₂ O ₂ Se nanofilms. Por último, para η muy mejorado , dos razones principales juegan un papel fundamental. En primer lugar, las capas aumentadas mejoran la absorbancia de los fotones incidentes. Además, la existencia de estados de intervalo medio permite más canales de transición para electrones excitados. Por lo tanto, η aumenta significativamente [16, 19].

Conclusiones

En resumen, hemos presentado las propiedades fotoeléctricas de Bi ₂ multicapa O ₂ Fotodetector basado en Se (espesor ~ 30 nm). Bi ₂ multicapa O ₂ Se demuestra una fotorrespuesta ultrasensible de 850 a 1550 nm con buena reproducibilidad a temperatura ambiente, incluida una alta fotorrespuesta, un tiempo de respuesta rápido, una alta eficiencia cuántica externa y una alta tasa de detección. Los resultados indican que Bi ₂ multicapa O ₂ Se tiene una fotorrespuesta relativamente mejor que la de capa fina.