Fotodetector controlado por longitud de onda basado en Nanobelt de CdSSe único
Resumen
Los nano cinturones de CdSSe (NB) se sintetizan por evaporación térmica y luego se caracterizan por microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de transmisión (TEM), microscopía electrónica de alta resolución (HRTEM), espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), fotoluminiscencia (PL) y catodoluminiscencia (CL). Se encuentra que los NB de CdSSe tienen una buena morfología y microestructura sin defectos. CL es sensible a los defectos de CdSSe NB; por lo tanto, podemos seleccionar un solo nanocinturón con emisión de CL homogénea para preparar un detector. Sobre esta base, se desarrolló el fotodetector de CdSSe NB único y se investigaron en detalle sus propiedades fotoeléctricas. Se encuentra que bajo iluminación de luz blanca y con un voltaje de polarización de 1 V, la fotocorriente de un solo dispositivo nanobelt de CdSSe es 1.60 × 10 −7 A, la corriente oscura es 1,96 × 10 −10 A, y la relación entre la corriente de luz y la de oscuridad es 816. Además, el detector de nanobandas CdSSe tiene un alto rendimiento fotoeléctrico con una capacidad de respuesta espectral de 10,4 AW −1 y eficiencia cuántica externa (EQE) del 19,1%. Su tiempo de subida / bajada es de aproximadamente 1,62 / 4,70 ms. Este trabajo ofrece una estrategia novedosa para diseñar fotodetectores controlados por longitud de onda ajustando sus composiciones.
Antecedentes
Recientemente, los nanomateriales semiconductores se han estudiado ampliamente como dispositivos optoelectrónicos, como diodos emisores de luz [1, 2], dispositivos fotovoltaicos [3], células solares [4, 5], H 2 electrocatalítico generación [6, 7] y fotodetectores [8,9,10]. CdS y CdSe son materiales semiconductores II-VI con la banda prohibida a temperatura ambiente de 2,42 y 1,74 eV, respectivamente. Se consideran los mejores materiales para la fabricación de fotodetectores debido a su banda prohibida correspondiente a la longitud de onda de absorción en la región de la luz visible [11, 12].
Nanoestructuras unidimensionales como nanocables [13], nanocinturones [14] y nanotubos [15] se han utilizado en sensores y fotodetectores debido a sus altas relaciones superficie-volumen, propiedades físicas y propiedades químicas [16]. Entre ellos, algunas nanoestructuras como ZnO [17], CdS [18], CdSe [19], MoS 2 [20], Zn x Cd 1 - x Se [21], CdS 1 - x Se x [22] y Zn x Cd 1 - x S [23] se han utilizado en la fabricación de fotodetectores. Pan y col. informó que el fotodetector basado en CdS 0.49 Se 0.51 /CdS0.91 Se 0.09 la heteroestructura tiene un buen rendimiento [24]. Sin embargo, cómo desarrollar un detector de alta respuesta y selectividad con un rendimiento excelente sigue siendo un desafío.
En este trabajo, las nanocinturones de CdSSe (NBs) fueron sintetizadas por evaporación térmica. Realizamos la fabricación y caracterización de un solo dispositivo CdSSe. Después de eso, se investigaron sistemáticamente las propiedades fotoeléctricas de un solo dispositivo CdSSe NB. En base a ello, realizamos la catodoluminiscencia (CL) de CdSSe NB a temperatura ambiente y baja temperatura y encontramos que CL es sensible a los defectos de CdSSe NBs. Por lo tanto, elegimos nanocinturones con microestructuras perfectas para diseñar dispositivos por CL para que puedan lograr nuestras propiedades deseadas.
Métodos
Preparación de Nanobelts CdSSe
Los NB de CdSSe monocristalinos se prepararon mediante evaporación térmica. Para la síntesis de CdSSe NB, la mezcla de polvos de CdS puros (99,99% en peso) y polvos de CdSe (9,99% en peso) premezclados en la relación en peso de 1:1 se puso en un bote de cerámica. El bote de cerámica se colocó en el medio del tubo de cuarzo. Se colocó en el tubo un sustrato de silicio recubierto con una película de Au de aproximadamente 10 nm; la distancia entre el sustrato de silicio y el bote de cerámica era de unos 5-7 cm. El horno se calentó a 820 ° C y luego se mantuvo durante 2 h. Finalmente, el horno se enfrió naturalmente a temperatura ambiente. Las nanocinturones con diferentes composiciones se depositaron en las diferentes posiciones del sustrato de Si. En todo el experimento, se hizo volar gas Ar a 20 sccm y la presión dentro del tubo se mantuvo en 112 Torr.
Caracterización del material
La morfología, estructura y composición de los nanocinturones se caracterizaron por microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de transmisión (TEM), microscopía electrónica de alta resolución (HRTEM) y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). Los espectros PL se midieron bajo excitación láser de 532 nm. Los espectros CL de CdSSe NB se midieron a temperatura ambiente y baja temperatura mediante un sistema de catodoluminiscencia (CL) (Gatan monocle CL4) instalado en el microscopio electrónico de barrido (Quanta FEG 250).
Fabricación del dispositivo Nanobelt
Se depositaron electrodos de Ti / Au en los dos extremos de una única nanobanda dispersa sobre un sustrato de Si con un SiO 2 de 500 nm de espesor. capa, y luego, se logró el dispositivo. El proceso de fabricación detallado de los dispositivos se hace referencia en la literatura [25]. La parte descubierta de los nano cinturones fue expuesta a la luz incidente. La Figura 1 es el diagrama esquemático de la prueba del dispositivo.
Un diagrama esquemático de la configuración del detector
Caracterización fotoeléctrica
La medición del rendimiento fotoeléctrico de las nanocinturones se llevó a cabo mediante el sistema de semiconductores Keithley 4200 y el espectrómetro monocromático. La fotocorriente del dispositivo se midió cambiando la luz incidente irradiada verticalmente en el dispositivo, y I - V Las curvas se realizaron mediante una medición de dos sondas.
Resultados y discusión
La Figura 2a muestra una imagen SEM de los NB CdSSe preparados. Se ha encontrado que los NB de CdSSe tienen una buena morfología y un ancho y una longitud uniformes de hasta cientos de micrómetros. La Figura 2b es una imagen SEM de gran aumento de las nanocinturones CdSSe. Se observa que la nanobanda es delgada y uniforme con 2.632 μm de ancho. La Figura 2c y su inserción presentan la imagen de campo brillante TEM y el patrón de difracción de área seleccionada (SAD) de un solo nanocinturón con un ancho de 2,94 μm y un grosor de menos de 50 nm. El patrón SAD confirma la calidad del monocristal y se puede indexar a una estructura hexagonal con parámetros de celosía a =4.177 Å y c =6,776 Å. La imagen HRTEM correspondiente se muestra en la Fig. 2d, y el espaciado de la red entre el plano adyacente es de 0,34 nm, correspondiente al plano cristalino (110). En consecuencia, su dirección de crecimiento es a lo largo de [110].
Las imágenes morfológicas de los NB CdSSe. un SEM a bajo aumento. b SEM a gran aumento. c SAD, recuadro:su TEM. d HRTEM
EDX y el mapeo de las nanocinturones CdSSe se muestran en la Fig. 3. La imagen SEM de una muestra en múltiplos bajos se muestra en la Fig. 3a. Se observa que toda la región está cubierta de nanocinturones. La figura 3b es la distribución total de Cd, S y Se. Las asignaciones de los elementos Cd, S y Se se muestran en la Fig. 3c-e, respectivamente. Reveló que el Cd, S y Se se distribuyen uniformemente en los nanocinturones completos. El espectro EDX recopilado de los mismos nanocinturones se presenta en la Fig. 3f, lo que indica que el nanocinturón está compuesto por elementos Cd, S y Se.
Imagen SEM y mapeos elementales de CdSSe NB. un SEM. b – e Asignaciones de Cd, S y Se, respectivamente. f EDX
El patrón XRD y XPS de CdSSe NB se presenta en la Fig. 4. Todos los picos de difracción pueden indexarse a una estructura hexagonal de CdS 0,76 Se 0,24 con parámetros de celosía a =4.177 Å y c =6,776 Å, que es consistente con la tarjeta estándar (JCPDS n. ° 49-1459). Las posiciones de los picos de difracción (2 θ =24,72 °, 26,35 °, 28,13 °, 36,42 °, 43,47 °, 47,5 °, 50,4 °, 51,4 ° y 52,4 °) coincidente con el plano cristalino (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) y (201), respectivamente. No se detectan otras impurezas. Los picos de difracción agudos y estrechos revelaron que las nanocinturones de CdSSe obtenidas tienen una buena cristalinidad. La Figura 4b muestra las energías de enlace de Cd3d 5/2 y Cd3d 3/2 para el CdSSe NB a 404,8 y 411,7 eV, respectivamente, que se acercan a los valores informados en el trabajo anterior [26]. La distancia de separación entre dos picos es 6,9 eV, lo que indica que los átomos de Cd están en la fase completa de CdS [27]. La deconvolución del pico S (2p) muestra dos picos gaussianos, centrados en 160,7 y 165,1 eV en la figura 4c. El espectro de electrones de valencia de Se (3d) se muestra en la Fig. 4d, en la que solo se observó un pico ubicado a 53,5 eV. Por lo tanto, los resultados de XPS confirman que los nanocinturones están compuestos por elementos Cd, S y Se.
Patrones XRD y espectros XPS de los NB CdSSe. un XRD. b Espectro XPS de Cd superpuesto (3d). c Espectro XPS de alta resolución para S (2p). d Espectro XPS de alta resolución para Se (3d)
La Figura 5 es el espectro de fotoluminiscencia de nanocinturones de CdSSe; hay dos picos en el rango de 500 a 1000 nm. Uno está centrado a 603 nm y se originó a partir de la emisión de borde de banda cercano (NBE) de las nanocinturones de CdSSe. El otro centrado en ~ 950 nm puede estar relacionado con la emisión de nivel profundo, que se observa en In 2 Se 3 y Ga 2 Se 3 [28, 29].
Los espectros de emisión PL de CdSSe NB
Las imágenes SEM y CL del nanocinturón de CdSSe único se describen en la Fig. 6a, b. Aclaró que la superficie de las nanocinturones es plana y lisa y el brillo es heterogéneo a lo largo de su longitud. La Figura 6c, d es el espectro CL de resolución espacial del mismo nanobelt a temperatura ambiente (295 K) y baja temperatura (93 K). Destacó que las intensidades CL de la característica NBE en CdSSe NB son diferentes de un punto a otro, y su relación señal-ruido no es buena a 295 K, mientras que las CL son fuertes con diferentes intensidades de un punto a otro a 93 K. Este resultado está de acuerdo con la imagen de CL. Además, el pico característico se encuentra a 625 nm, no se observa emisión de defectos y la intensidad a 93 K es aproximadamente 220 veces más fuerte que a 295 K. Por lo tanto, el CdSSe NB tiene buenas propiedades luminiscentes a baja temperatura.
Imágenes SEM y CL de un solo CdSSe NB. un SEM. b CL. c CL en 295 K. d CL a 93 K
La Figura 7a es la imagen SEM del nanodispositivo, que visualizó que el CdSSe NB no es uniforme en ancho. Los anchos del NB medido son 30,85 y 36 μm y la longitud es 9,754 μm, como se indica en la Fig. 7a. El yo - V Las características del dispositivo CdSSe NB se muestran en la Fig. 7b en condiciones de oscuridad e iluminación de luz blanca con una densidad de potencia de 43,14 mW / cm 2 . Como se puede ver, la fotocorriente aumenta mucho bajo la irradiación de luz blanca, porque la luz incidente produce pares de electrones y huecos, mejorando así la fotocorriente. La forma lineal de I - V La curva indicó que se formaron buenos contactos óhmicos entre los electrodos CdSSe NB y Ti / Au. La fotocorriente es 1,6 × 10 −7 A, y la corriente oscura es de aproximadamente 1,96 × 10 −10 A. Por lo tanto, la relación entre la fotocorriente y la corriente oscura es 816. La figura 7c es la I - V curva obtenida después de tomar el logaritmo y encontró que la fotocorriente es más alta en tres órdenes de magnitud que su corriente oscura.
Imagen SEM y I - V curvas de un solo detector CdSSe NB. un SEM. b yo - V curvas en condiciones de oscuridad e iluminación de luz blanca con una densidad de potencia de 43,14 mW / cm 2 . c yo - V gráfico obtenido después de tomar el logaritmo
Para explorar más las propiedades fotoelectrónicas de los dispositivos, medimos la fotocorriente de un solo dispositivo CdSSe NB, como se muestra en la Fig. 8. A un voltaje de polarización aplicado de 1 V, la respuesta espectral del dispositivo en el rango de 600 a 800 nm se muestra en la Fig. 8a. Se ve que la respuesta es muy fuerte cuando la longitud de onda es inferior a 674 nm, y luego se vuelve cada vez más débil cuando la longitud de onda es superior a 674 nm. La Figura 8b presenta el I medido - V curva bajo iluminación de luz de 674 nm con diferentes densidades de potencia. Se encuentra que la fotocorriente aumenta al aumentar la densidad de potencia, lo que implica que la eficiencia de la portadora fotogenerada es proporcional al número de fotones absorbidos [30]. El gráfico logarítmico correspondiente a la Fig. 8b se resalta en la Fig. 8c. Reveló que el dispositivo CdSSe NB tiene la mejor respuesta a una densidad de potencia de 6,11 mW / cm 2 . La figura 8d es la relación entre la fotocorriente y la densidad de potencia óptica. Ajustando el valor de fotocorriente dependiente de la densidad de potencia de I p = AP θ , donde yo p es la fotocorriente, P es la densidad de potencia óptica, A es la constante dependiente de la longitud de onda, el exponente θ determina la respuesta de fotocorriente con potencia [31], se ha obtenido un buen ajuste de los resultados experimentales con θ =0,69. Los informes sobre un exponente no unitario con 0,5 <θ <1 sugieren un proceso complejo de generación de huecos de electrones, recombinación y captura dentro del material fotoactivo [32], mientras que la dependencia de la intensidad con θ <0,5 puede surgir debido a mecanismos defectuosos, incluidos tanto los centros de recombinación como las trampas. Por lo tanto, θ =0,69 significa que CdSSe nanobelt no tiene defectos, lo que está de acuerdo con HRTEM y CL.
Propiedades de fotorrespuesta del detector del detector CdSSe NB. un Fotorrespuesta espectral medida con un sesgo de 1 V. b yo - V curva a la longitud de onda de excitación de 674 nm, un voltaje de polarización de 1 V y diferentes densidades de potencia. c La gráfica logarítmica de b . d La relación entre la fotocorriente y la densidad de potencia óptica
Es bien sabido que la capacidad de respuesta espectral ( R λ ) y la eficiencia cuántica externa (EQE) son parámetros críticos para los dispositivos ópticos, que se pueden definir como R λ = yo ph / ( P λ S ) y EQE = hcR λ / ( qλ ), donde yo ph es la diferencia entre la fotocorriente y la corriente oscura, P λ es la densidad de potencia de la luz irradiada en el nanocinturón, S es el área iluminada efectiva, c es la velocidad de la luz, h es la constante de Planck, q es la carga electrónica, y λ es la longitud de onda excitante [33, 34]. Calculamos el R correspondiente λ y los valores de EQE del dispositivo CdSSe NB son 10,4 A / W y 19,1%.
La Figura 9a muestra el tiempo de respuesta del detector CdSSe NB, que se mide encendiendo y apagando periódicamente la luz de 674 nm con una intensidad de 4,87 mW / cm 2 a un voltaje de polarización de 1 V. A partir de eso, podemos ver que el dispositivo CdSSe NB exhibe una buena estabilidad reversible en las propiedades de conmutación. La Figura 9b es el borde de subida y bajada de voltaje de una resistencia medida por el osciloscopio. Refleja el tiempo de subida de la fotoconductancia y el tiempo de caída de CdSSe NB. Con y sin iluminación de luz de 674 nm (4,87 mW / cm 2 ), la tensión de los cambios resistentes varía. Se ve que el tiempo de subida / bajada es de 1,62 / 4,70 ms, respectivamente. Comparamos parámetros importantes de nuestro fotodetector con los de otros basados en nanocinturones únicos o nanohojas (NS). Se encuentra que la R λ del dispositivo CdSSe NB en este trabajo es más grande que el de otros fotodetectores de nanoestructura como CdS [34] y ZnS NB [35], BiO 2 Se [36], GaSe [37], SnS [38] y Bi 2 S 2 NS [39]. El tiempo de desintegración es más corto que el de ZnS NB [35] y GaSe NS [37], pero más largo que el de otros [34, 36, 38, 39], como se resume en la Tabla 1, lo que confirma la posible aplicación del CdSSe NB para campo fotodetectivo.
Propiedades de tiempo actual de un solo fotodetector CdSSe NB con iluminación de luz de 674 nm con 4,87 mW / cm 2 Densidad de potencia bajo polarización de 1 V. un yo - t características con encendido / apagado. b El aumento de voltaje y el borde de caída de una respuesta de pulso
Conclusiones
En resumen, los CdSSe NB se cultivaron en un horno de alta temperatura mediante evaporación térmica. Las nanocinturones obtenidos se caracterizaron mediante varios métodos. Se encuentra que los NB de CdSSe tienen una microestructura perfecta sin defectos y las nanocinturones están compuestos por elementos Cd, Se y S. Los resultados de CL revelaron que la intensidad de un nanocinturón de CdSSe individual a baja temperatura (93 K) es más fuerte que a temperatura ambiente (295 K), y la relación señal-ruido es mejor a 93 K. Después de eso, desarrollamos el fotodetector CdSSe basado en un solo NB y estudió sus propiedades optoelectrónicas. El detector logró un alto rendimiento con una capacidad de respuesta de 10,4 A / W, un tiempo de subida / caída de 1,62 / 4,70 ms y una eficiencia cuántica externa (EQE) del 19,1% a 674 nm, que tiene una buena estabilidad y repetibilidad en las propiedades fotoelectrónicas. Este trabajo allana el camino hacia el desarrollo de fotodetectores visibles de longitud de onda continua ajustando su composición.
Abreviaturas
- CL:
-
Catodoluminiscencia
- EDX:
-
Rayos X de energía dispersiva
- EQE:
-
Eficiencia cuántica externa
- HRTEM:
-
Microscopía electrónica de alta resolución
- NB:
-
Nanobelt
- NBE:
-
Cerca del borde de la banda
- NS:
-
Nanosheet
- PL:
-
Fotoluminiscencia
- R λ :
-
Responsividad
- SAD:
-
Difracción de área seleccionada
- SEM:
-
Microscopía electrónica de barrido (SEM)
- TEM:
-
Microscopía electrónica de transmisión
- XPS:
-
Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X
- XRD:
-
Difracción de rayos X
Nanomateriales