Efecto fotovoltaico lateral grande en heterounión MoS2 / GaAs

un I longitudinal - V curva del MoS ₂ fabricado / n -Herouniones GaAs. El recuadro muestra el circuito esquemático para las medidas longitudinales. b Transversal I - V curvas del MoS ₂ fabricado / n -Herouniones GaAs. El recuadro superior muestra el circuito esquemático para las medidas transversales. El recuadro inferior muestra el I - V curvas del MoS ₂ películas sobre el sustrato intrínseco de GaAs

La Figura 4a muestra el circuito esquemático para la medición del LPE del MoS ₂ fabricado / Heterounión GaAs. Se presionan dos electrodos In con un diámetro de 0,5 mm sobre la superficie del MoS ₂ película para realizar las medidas del LPE. La distancia (2 L ) entre los electrodos es de ~ 1,0 mm. Durante nuestras mediciones, los electrodos A y B se conectaron a las sondas positiva y negativa de un voltímetro Keithley 2000, respectivamente. La Figura 4b muestra las curvas LPE del MoS ₂ / n -GaAs y MoS ₂ / p -GaAs heterouniones, respectivamente. El grosor del MoS ₂ películas es ~ 30,0 nm. Cuando la superficie del MoS ₂ La película está parcialmente iluminada por un punto láser con un diámetro de aproximadamente 0,1 mm, se puede observar un gran LPE en el MoS ₂ / n -Herounión GaAs. Como se muestra en la figura, el LPE muestra una dependencia aproximadamente lineal de la posición del punto del láser cuando el punto del láser se mueve entre los electrodos A y B en el MoS ₂ superficie. En la figura, podemos ver que el LPV depende de la posición del punto láser. Esto se puede ajustar con la teoría de la difusión [16],

donde K ₀ , 2 L , d y x representan un coeficiente de proporcionalidad, la distancia entre dos electrodos, la longitud de difusión del portador y la posición del punto láser, respectivamente. Los resultados bien ajustados en la figura sugieren claramente que el LPE en el MoS ₂ / n La heterounión -GaAs surge del flujo difuso lateral y la recombinación de los portadores excitados lejos de la posición del láser. Como se muestra en la figura, el valor de LPV es cero cuando el punto de luz está en el centro entre dos electrodos, lo que se puede atribuir a la simetría de difusión de los portadores. Cuando la posición de la luz está cerca del electrodo A, el LPV es positivo y viceversa. Esto indica que el LPE en el MoS ₂ / n -La heterounión de GaAs es causada por los portadores fotoexcitados de tipo agujero. El LPV máximo se obtiene cuando la iluminación láser está más cerca de los electrodos. Según nuestras medidas, el fotovoltaje lateral máximo (LPV _max ) es de aproximadamente 208,2 mV en la región lineal del MoS ₂ / n -Herounión GaAs. Comparativamente, el LPV del MoS ₂ / p -La heterounión GaAs es mucho más pequeña y su LPV _max es de solo 7,3 mV, como se muestra en la figura. En la figura, podemos ver que el LPE del MoS ₂ / p La heterounión -GaAs está determinada por los portadores fotoexcitados de tipo electrón. Además, las características de LPE no lineales del MoS ₂ / p -La heterounión GaAs se puede ver en la figura cuando el punto láser se mueve entre los electrodos A y B.

un Circuito esquemático para la medida del LPE. b Curvas LPE del MoS ₂ / n -GaAs y MoS ₂ / p -GaAs heterouniones, respectivamente

La Figura 5 muestra la sensibilidad LPE del MoS ₂ / n -Herounión GaAs en función de la potencia del láser y el espesor ( d _MoS2 ) del MoS ₂ película. La sensibilidad está definida por S =LPV _max / L . Obviamente, la S aumenta drásticamente al aumentar la potencia del láser inicialmente, pero luego se satura lentamente cuando la potencia aumenta más. Esta saturación podría deberse al rápido aumento de la tasa de recombinación de los orificios fotoexcitados con el aumento de la intensidad del láser en la región iluminada [20]. Como se muestra en la figura, se puede obtener un LPE obvio y una alta sensibilidad incluso bajo la iluminación láser débil de 100.0 μW. De la figura, una dependencia significativa de la sensibilidad en el grosor del MoS ₂ se pueden ver películas. Cuando d _MoS2 =~ 10,0 nm, S =165,4 mV mm ⁻¹ bajo la iluminación láser de 100,0 μW. Al aumentar el espesor de la película, S aumenta gradualmente. Cuando d _MoS2 =30,0 nm, S alcanza 416,4 mV mm ⁻¹ . Esta sensibilidad es mucho mayor que el MoS ₂ informado / Dispositivos de Si [17, 18]. Después de d _MoS2 > 30,0 nm, S disminuye con el aumento adicional de MoS ₂ grosor. Cuando d _MoS2 =90,0 nm, S = 283,3 mV mm ⁻¹ . Por lo tanto, para obtener el mayor LPE y sensibilidad, existe un grosor óptimo de MoS ₂ película en el MoS ₂ fabricado / n -GaAs, alrededor de 30.0 nm.

Dependencia de sensibilidades positivas y negativas del MoS ₂ fabricado / n -GaAs heterounión en potencias láser, respectivamente

La Figura 6a presenta los espectros de UPS del MoS ₂ película sobre el sustrato de Si. La función de trabajo ( W ) de la película se puede calcular a partir de la diferencia entre el corte de la energía de enlace más alta y la energía del fotón de la radiación excitante. De la figura, W =Se pueden obtener 5,24 eV. La distancia (∆ E ) entre la banda de valencia ( E _V ) y el nivel de Fermi ( E _F ) de MoS ₂ La película se puede extraer de la energía de inicio, como se muestra en el recuadro. El ∆ E para MoS ₂ la película es de aproximadamente 0,51 eV. Usando los datos del espectro de transmitancia del MoS ₂ película sobre sustrato de cuarzo, ( αhν ) ² se representa en función de la energía de los fotones hν , donde h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de los fotones. El α es el coeficiente de absorción, calculado por αd =ln (1 / T ) [21], en el que d y T son el espesor y la transmitancia de la película, respectivamente. La banda prohibida ( E _g ) de la película se puede determinar a partir de la intersección de la línea en el hν eje, E _g =1,54 eV, como se muestra en la Fig. 6b. Según estos parámetros de la banda de energía, el p -tipo de comportamiento del MoS ₂ se puede determinar la película, lo que se puede probar mediante mediciones de Hall. Los resultados de Hall muestran que la concentración del portador de tipo agujero y la movilidad son aproximadamente 3.8 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ y 11,2 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , respectivamente.

un Espectros de UPS del MoS ₂ película en GaAs, que muestra el nivel de Fermi de las películas y la distancia entre el nivel de Fermi y el borde superior de la banda de conducción. b ( αhν ) ² ~ hν curva del espectro UV del MoS ₂ película sobre sustrato de cuarzo en las mismas condiciones de deposición

Para aclarar los mecanismos del LPE en el MoS ₂ / Ga Como heterouniones, los diagramas de bandas de energía en la interfaz se construyen basándose en los resultados de la Fig. 6. Aquí, E _g =1,42 eV y E _F =4.17 eV para n -Los GaA se tienen en cuenta para construir la estructura de bandas [22]. Cuando el MoS ₂ La película se deposita sobre el sustrato de GaAs, los electrones fluyen desde el GaAs hacia el MoS ₂ película en la interfaz debido a la mayor E _F de los GaAs. El proceso de flujo se detiene cuando los niveles de Fermi son iguales y el MoS ₂ / GaAs p - n La unión está fabricada, como se muestra en la Fig. 7a. En consecuencia, un campo integrado ( E _bi ) se forma en la interfaz del MoS ₂ / Heterounión GaAs. E _bi =[ E _F ( n -GaAs) - E _F (MoS ₂ )] / e =1.07 V y apunta desde los GaAs al MoS ₂ película. Por lo tanto, la I longitudinal asimétrica - V La curva se muestra en la Fig. 3a. Debido a la existencia de un fuerte E _bi , se acumulan grandes cantidades de portadores de tipo agujero cerca de la interfaz y se forma una capa de inversión en el n -Sustrato de GaAs cerca de la interfaz, como se muestra en la Fig. 7b. Al igual que con el gas de agujero bidimensional (2DHG) [23], la capa de inversión podría exhibir la característica de alta conducción debido a la alta concentración de hojas de los agujeros ( p + ). De la Fig. 3b, podemos ver que la conducción de la capa de inversión es mucho más grande que el MoS ₂ película. Por lo tanto, la conducción entre dos electrodos en el mismo lado del MoS ₂ la película está dominada por la capa de inversión en lugar de MoS ₂ película. Cuando la unión está parcialmente iluminada por el láser, la luz se absorbe y los pares de electrones y huecos en el MoS ₂ pueden inducirse película y GaAs, respectivamente, como se muestra en la Fig. 7c. Sin embargo, se puede esperar que la mayor parte del láser sea absorbido por los sustratos de GaAs debido a su grosor mucho mayor y su banda prohibida más pequeña. Bajo la iluminación láser, los pares de electrones y agujeros solo pueden excitarse en la región iluminada y separarse espacialmente por E _bi . Debido a la orientación del E _bi apuntando de GaAs a MoS ₂ , los agujeros fotoexcitados fluyen hacia la interfaz y entran en la capa de inversión en los GaAs, como se muestra en la Fig. 7c. Los agujeros fotoexcitados en la capa de inversión se difunden lateralmente desde el punto iluminado hacia los dos electrodos. La concentración de los agujeros excitados recogidos por los dos electrodos es diferente para diferentes distancias del punto iluminado. Por tanto, se forma un LPV grande entre los electrodos y se observa el LPE en la heterounión. Esto está de acuerdo con los resultados ajustados de la Fig. 3b, y el LPE en el MoS2 / n -Las heterouniones de GaAs se originan principalmente en la difusión del portador. Cuando el MoS ₂ la película se deposita en la p -Sustrato de GaAs, una p - p se forma la heterounión, como se muestra en la Fig. 7d. E _F ( p -GaAs) =5,32 eV se utiliza en el diagrama de bandas [22]. El E _bi de la p - p Se puede calcular la heterounión, 0.08 V, y su dirección apunta desde la película al sustrato. Debido a la E _bi , los portadores de tipo electrónico se acumulan cerca de la interfaz de la heterounión y se forma la capa de inversión. Así, el LPE inducido por la difusión de los electrones fotoexcitados se obtiene en el MoS ₂ / GaAs p - p heterounión, como se muestra en la Fig. 4. Sin embargo, la concentración del portador acumulado en la capa de inversión podría ser menor debido a la débil V _bi de solo 0,08 V en el p - p heterounión en comparación con la p -MoS ₂ / n -Unión de GaAs. Esto aumenta las dificultades del transporte de los electrones fotoexcitados en la capa de inversión. En serio, las barreras de Schottky se pueden formar entre n -tipo capa de inversión y la p -MoS ₂ película, como se muestra en la Fig. 7e. Estas características del p -MoS ₂ / p La unión -GaAs suprime la colección de electrones fotoexcitados en los electrodos. Como resultado, el LPE podría reducirse en gran medida. Como se muestra en la Fig. 4b, el LPV _max para la p - p la unión es de solo 7.3 mV mientras que alcanza 208.2 mV en el p - n cruce.

un Alineación de la banda de energía del MoS ₂ / n -GaAs heterounión y b la ilustración correspondiente del contacto eléctrico en la interfaz. c Mecanismo del LPE en el MoS ₂ / n -Herounión GaAs. d Alineación de la banda de energía del MoS ₂ / p -Heterounión GaAs y e la ilustración correspondiente del contacto eléctrico en la interfaz

Por lo general, ocurre en los PSD de tipo heterounión informados que el LPE se puede ajustar cambiando el grosor de las capas de la tapa [20]. Esto puede entenderse bien si se considera la recombinación de los portadores fotoexcitados en la película y la evolución del campo incorporado. En MoS ₂ / GaAs p - n unión, la recombinación de portadores generados por fotones se puede mejorar debido a la larga ruta de transporte en el MoS grueso ₂ película antes de que sean recogidos por los electrodos. Esto reduce el LPE de las heterouniones. A la inversa, una película más delgada puede disminuir en gran medida la recombinación, lo que provoca el aumento del LPE. Sin embargo, cuando el MoS ₂ el espesor es menor que el valor crítico, el E _bi en la interfaz disminuye al disminuir aún más MoS ₂ espesor [24]. Esto puede reducir la separación de pares de huecos de electrones generados por fotones y el LPE disminuye. Por lo tanto, hay un grosor óptimo de MoS ₂ película para obtener el LPE más alto, alrededor de 30 nm.

Conclusiones

En resumen, MoS ₂ Se depositaron películas delgadas sobre la superficie del sustrato de GaAs mediante la técnica de pulverización catódica con magnetrón. Se obtuvo un LPE grande en el MoS ₂ fabricado / n -La heterounión GaAs y la dependencia del LPV de la posición de la iluminación láser mostraron una buena linealidad. Debido a la formación del fuerte campo integrado en la interfaz, el MoS ₂ / n -La heterounión GaAs exhibió una alta sensibilidad de 416,4 mV mm ⁻¹ , mientras que el valor era de solo 7,3 mV mm ⁻¹ para MoS ₂ / p -GaAs. Nuestros resultados mostraron además que el LPE exhibía una dependencia obvia del grosor del MoS ₂ películas y aproximadamente 30.0 nm fue el grosor óptimo de MoS ₂ película para adquirir el LPE más alto en el MoS ₂ fabricado / n -Herouniones GaAs. Los mecanismos del LPE en el MoS ₂ Los dispositivos / GaAs se aclararon en función de la alineación de la banda de energía en la interfaz.

Abreviaturas

∆ E :

Distancia entre E _V y E _F

d _MoS2 :

Espesor del MoS ₂ película

E _bi :

Campo integrado

E _C :

Nivel de banda de conducción

E _F :

Nivel de energía Fermi

E _g :

Brecha de banda de energía

E _V :

Nivel de la banda de valencia

I - V :

Corriente-voltaje

LPE:

Efecto fotovoltaico lateral

LPV:

Fotovoltaje lateral

LPV _max :

Fotovoltaje lateral máximo

MoS ₂ :

Disulfuro de molibdeno

PSD:

Detector sensible a la posición

UPS:

Espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta

W :

Función de trabajo

Efectos del espesor de la bicapa en las propiedades morfológicas, ópticas y eléctricas de los nanolaminados de Al2O3 / ZnO Espectros Raman y módulo de volumen de nanodiamantes en un intervalo de tamaño de 2 a 5 nm