Fotodetector ultravioleta de alto rendimiento basado en puntos cuánticos de grafeno decorados Nanorods de ZnO / Heterojunciones de isotipo de película de GaN

Resumen

Se fabricó un fotodetector ultravioleta de heterounión de isotipo novedoso mediante el crecimiento de matrices de nanobarras de n-ZnO en películas delgadas de n-GaN y luego se revistió por rotación con puntos cuánticos de grafeno (GQD). Expuestos a la iluminación ultravioleta con una longitud de onda de 365 nm, la fotorrespuesta dependiente del tiempo de los detectores híbridos manifiesta una alta sensibilidad y transitorios constantes con un tiempo de subida de 100 ms y un tiempo de caída de 120 ms. Mientras tanto, una detectividad específica ultra alta (hasta ~ 10 ¹² Jones) y alta fotorreactividad (hasta 34 mA W ⁻¹ ) se obtienen con una polarización de 10 V. En comparación con los detectores de heterounión desnudos, el excelente rendimiento de la heteroestructura de n-ZnO / n-GaN decorada con GQD se atribuye a la inmovilización eficiente de las GQD en las matrices de nanobarras de ZnO. Los GQD se utilizaron como absorbentes de luz y actúan como un donante de electrones para mejorar eficazmente la concentración de portadores efectiva en la unión interfacial. Además, la alineación apropiada de la banda de energía en híbridos de ZnO / GaN decorados con GQD también puede ser un factor potencial para facilitar la fotocorriente inducida por UV y la velocidad de respuesta.

Antecedentes

Los fotodetectores UV han atraído gran atención en los campos de detección de lanzamiento de misiles, investigación espacial y astronómica, monitoreo ambiental, calibración y monitoreo de radiación UV y comunicación óptica [1]. Los semiconductores con espacios de banda ancha son una serie de opciones comunes para fotodetectores UV, como GaN [2], CdS [3], ZnO [4, 5], Ga ₂ O ₃ [6], ZnS [7] y SiC [8], ya que exhiben una absorción de rayos ultravioleta significativa. Entre ellos, los nanomateriales de ZnO se han explorado intensamente para dispositivos optoelectrónicos de longitud de onda corta, debido a su amplia banda prohibida (aproximadamente 3,37 eV) y su alta energía de enlace de excitones (aproximadamente 60 meV) a temperatura ambiente [9,10,11,12].

Se han realizado muchos esfuerzos en la construcción de fotodetectores UV basados en ZnO utilizando cristales únicos, películas delgadas o nanoestructuras de ZnO [13, 14, 15]. En general, el rendimiento de fotodetección y fotorrespuesta del material de ZnO son parámetros clave para determinar la capacidad del fotodetector UV, que está relacionada con el estado de su superficie, la calidad estructural y la tasa de adsorción y desorción de oxígeno. Se ha descubierto que la fabricación de ZnO unidimensional es una solución eficaz para mejorar su rendimiento de fotodetección y fotorrespuesta. Mientras tanto, varias nanoestructuras que incluyen heteroestructuras [16], homouniones [17], nanocompuestos [18, 19] y ZnO de morfologías especiales [20] también se han informado secuencialmente, lo que podría acortar aún más el tiempo de subida y caída de los detectores UV basados en ZnO. . En comparación, se ha demostrado que las heterouniones de isotipo n-ZnO / n-GaN son una opción superior debido a su estructura cristalina similar, parámetro de celosía y amplios espacios de banda (3.37 eV para ZnO y 3.39 eV para GaN), que podrían generar portadores desde el interior de estados localizados excitados por luz o campo eléctrico.

Otro material ampliamente empleado para fabricar heterouniones basadas en ZnO son los puntos cuánticos (QD), que contribuyen a aumentar la separación de carga fotogenerada y la velocidad de transporte en nanoestructuras de ZnO. La decoración de QD en nanoestructuras de ZnO puede introducir nuevas interfaces y mejorar en gran medida la separación de carga mediante la transferencia de electrones de QD a la banda de conducción de ZnO, lo que conduce a la mejora de la fotorrespuesta bajo irradiación de luz ultravioleta. Recientemente, los puntos cuánticos de grafeno (GQD), un grafeno de capa única con unos pocos nanómetros en dirección bidimensional, han tenido perspectivas de aplicación prometedoras como material absorbente de luz en el diseño de fotodetectores de banda ancha y dispositivos fotovoltaicos, atribuidos a su banda dependiente del tamaño. intersticio y fuerte absorción óptica [21]. Dhar y col. han preparado una serie de detector UV de unión Schottky de nanobarra / polímero decorado con GQD [22,23,24]. Yang y col. han descubierto que la fotocorriente de la matriz de nanovarillas de ZnO recubierta con GQD (ZNRA) iluminada por luz ultravioleta se mejoró notablemente en comparación con la de las nanoarrays puras. Propusieron que esta mejora probablemente se atribuyó a la transferencia de carga en la interfaz de GQD y ZNRA [25]. Rahimi y col. luego han informado que la incorporación de GQD en nanobarras de ZnO alineadas produjo una velocidad de detección más rápida, y la máxima fotocorriente excitada por UV es ~ 2,75 veces mayor que la de la película delgada de ZnO desnuda [26]. Por lo tanto, es razonable utilizar las ventajas de las GQD mencionadas anteriormente para aumentar las propiedades de detección de UV del ZnO. Sin embargo, según nuestro conocimiento, no hay investigaciones reportadas que revelen la función de las GQD en matrices de nanobarras n-ZnO / fotodetector de n-GaN.

En este artículo, el fotodetector UV de heterounión de isotipo n-ZnO / n-GaN decorado con GQD se ha fabricado mediante un método sencillo. Se ha observado una mejora obvia de la fotocorriente y una buena reproducibilidad del detector de heterounión decorado de GQD, en contraste con el del detector n-ZnO / n-GaN desnudo. La relación de corriente de foto a oscuridad y la tasa de respuesta superiores del fotodetector UV híbrido se pueden atribuir al efecto sinérgico y a las estructuras de bandas de energía apropiadas de n-ZnO, n-GaN y GQD, en los que las GQD se aprovecharon como absorbentes de luz. y donantes de electrones para impulsar en gran medida el transporte de electrones en la unión heterogénea del isotipo n-ZnO / n-GaN. Estos esfuerzos amplían el potencial de aplicación de las GQD en fotodetectores UV y allanan una nueva forma de explorar las diversas funciones de fotodetección mediante el diseño de nanoestructuras híbridas.

Métodos / Experimental

Preparación de la heterounión n-ZnO / n-GaN

Todos los reactivos de calidad analítica se adquirieron de Sigma-Aldrich y se usaron tal como se recibieron sin purificación adicional. Las heterouniones de isotipo de n-ZnO nanobarys / película n-GaN se prepararon mediante un proceso de dos pasos. En primer lugar, la película n-GaN se sintetizó en Al ₂ O ₃ sustrato por el método de deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD). Luego, los ZnO NR se cultivaron directamente en la película de n-GaN mediante un método hidrotermal que se ha informado en estudios anteriores [27]. En primer lugar, el Al ₂ O ₃ El sustrato recubierto con película de n-GaN se colocó en una solución acuosa que contenía acetato de zinc 0,025 M ((CH ₃ COO) ₂ Zn · 2H ₂ O) y hexametilentetramina 0,025 M (C ₆ H ₁₂ N ₄ ) como precursores. Los precursores se transfirieron a un autoclave de acero inoxidable revestido con teflón. A continuación, se selló el autoclave y se metió en el horno. Los tratamientos hidrotermales se realizaron a 95 ° C durante 12 h. Finalmente, se dejó enfriar el autoclave de forma natural. Las muestras se extrajeron, se lavaron con agua desionizada varias veces y se secaron al aire.

Síntesis de GQD

Los puntos cuánticos de grafeno se prepararon a través de un método hidrotermal utilizando ácido cítrico pirolizado (CA) como precursor en un ambiente alcalino de acuerdo con alguna literatura previamente reportada [28, 29, 30]. Típicamente, se disolvieron 0,21 g (1 mmol) de CA y 0,12 g (3 mmol) de hidróxido de sodio (NaOH) en 5 ml de agua y se agitaron para formar una solución transparente. Luego, la solución se transfirió a un autoclave de acero inoxidable revestido de teflón de 20 ml. El autoclave sellado se calentó a 160 ° C en un horno eléctrico y se mantuvo durante 4 h más. Los GQD sintetizados se recogieron mediante la adición de etanol a la solución y se centrifugaron a 10000 rpm durante 5 min y luego se limpiaron por ultrasonidos con etanol tres veces. El sólido se puede volver a dispersar fácilmente en agua.

Fabricación de fotodetector UV

El Al ₂ O ₃ El sustrato plaqueado con heterounión n-ZnO / n-GaN se limpió en primer lugar con agua desionizada y etanol y se secó a 60 ° C en aire. Luego, las GQD se revistieron por rotación en las heterouniones. Después de eso, los dispositivos se recubrieron por rotación con polimetilmetacrilato (PMMA), seguido de grabado con plasma acoplado inductivamente (ICP). Los dispositivos se cubrieron inmediatamente con óxido de indio y estaño (ITO) y se aplicó un electrodo de Ag sobre GaN para contactos óhmicos. El área efectiva final de la heterounión del isotipo es ~ 5 × 5 mm ² . En el esquema 1 se muestra un diagrama esquemático del proceso de fabricación de las matrices de nanobarras n-ZnO / heterounión del isotipo de película n-GaN.

Diagrama esquemático del proceso de fabricación del fotodetector UV de heterounión de isotipo

Caracterización

La morfología de la superficie de las matrices de nanobarras de ZnO se caracterizó utilizando el microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FE-SEM, FEI, Quanta FEG). La morfología y distribución de tamaño de las GQD se caracterizó por microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HRTEM, FEI, Tencai G20). Los espectros UV-vis se registraron en un espectrofotómetro UV-vis Lambda 25 (PerkinElmer, EE. UU.). La espectroscopia de fotoluminiscencia (PL) se registró usando un espectrofotómetro de fluorescencia Shimadzu RF-5301. La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) se realizó utilizando un espectrómetro de electrones de rayos X ThermoFisher-250XI con radiación Al Kα monocromatizada enfocada. Las estructuras cristalinas se midieron utilizando un difractómetro de rayos X (XRD, Brukes, D8 Advance). Los espectros Raman se examinaron usando una máquina de la estación Raman 400F (PerkinElmer). La respuesta de fotocorriente se midió mediante un sistema de caracterización de semiconductores (Keithley 4200) y un ² de 300 mW / cm Se empleó una lámpara de xenón (365 nm) como fuente de irradiación de luz ultravioleta.

Resultados y discusiones

La Figura 1a presentó la imagen SEM de las matrices de nanobarras de ZnO en crecimiento. Matrices uniformes de nanovarillas de ZnO en todo el Al ₂ O ₃ Se han obtenido sustratos recubiertos con película de GaN en condiciones hidrotermales. La figura 1b muestra la imagen SEM en sección transversal del dispositivo. El espesor del sustrato, la película de GaN y los NR de ZnO se mide como 20, 6 y 4 μm, respectivamente. La Figura 1c representa el patrón de difracción de rayos X de las heterouniones n-ZnO / n-GaN. GaN y ZnO con estructura cristalina de wurtzita tienen parámetros de red similares, lo que conduce a la fusión de los picos de difracción (002) de los dos semiconductores. Mediante el análisis de la curva de oscilación de rayos X de alta resolución, se pudieron observar claramente los picos (002) tanto de GaN como de ZnO, como se muestra en el recuadro de la Fig. 1c. El pico de difracción más fuerte (002) indicó que los microods crecen principalmente a lo largo de la dirección [001]. En la Fig. 1d, la banda D a ≈ 1360 cm ⁻¹ y banda G a ≈ 1600 cm ⁻¹ también podrían observarse, que se atribuyen a la sp ² estructura grafitizada y defectos / desórdenes locales de materiales carbonosos, respectivamente. La alta relación de intensidad máxima D / G demostró que existían grandes cantidades de defectos y trastornos en el borde o la superficie de la estructura de las GQD [31].

un La imagen FE-SEM de matrices de nanobarras de ZnO cultivadas sobre película de GaN en Al ₂ O ₃ sustrato (inclinado 45 °). b La imagen FE-SEM de sección transversal del dispositivo. c El patrón de difracción de rayos X de la muestra de ZnO / GaN (recuadro:curva de oscilación de alta resolución de la reflexión (002) que resuelve los picos de ZnO y GaN). d Espectros Raman de heterouniones n-ZnO / n-GaN decoradas con GQD

La Figura 2a, b muestra las imágenes TEM y HRTEM de las GQD obtenidas. Se puede encontrar que los GQD tienen una distribución de tamaño de partícula relativamente uniforme con una franja de celosía de 0,21 nm, y el tamaño lateral medio se calculó estadísticamente en 3,0 ± 0,6 nm (visto desde el recuadro en la Fig. 2a). La Figura 2c muestra el espectro UV-Vis de los GQD. Como puede verse, hay un pico fuerte alrededor de 240 nm, que corresponde a la transición π – π * de la aromática sp ² cúmulos, y un hombro más débil en el rango de 300 ~ 320 nm, correspondiente a la transición n – π * de enlaces C =O [32, 33]. Los espectros PL de los GQD exhiben un pico centrado en 442 nm, originado principalmente a partir de la transición π → π *. En el espectro de la encuesta XPS, dos picos centrados en ~ 284,5 eV y 531,4 eV se muestran en la Fig. 2d, que corresponde a C 1s y O 1s, respectivamente. El espectro C 1s de alta resolución muestra dos picos a 284,8 y 288,7 eV (Fig. 2e). El pico de energía de enlace a 284,8 eV se atribuye a los enlaces C =C, y el pico de energía de enlace a 288,7 eV se atribuye a los enlaces O =C – O. El espectro de O 1s de alta resolución de la muestra (Fig. 2f) muestra un pico a 531,8 eV, atribuido al grupo C =O [34]. El análisis indica que la estructura básica de la muestra GQD es la unidad aromática, similar a algunas publicaciones anteriores [35].

un Imagen TEM (recuadro:distribución de tamaño de GQD). b Imagen HRTEM de GQD. c Espectros UV-vis y espectros PL de los GQD (la longitud de onda de excitación es de 365 nm). d Espectros de levantamiento XPS. e Espectros XPS de alta resolución C 1s. f Espectros XPS de alta resolución de O 1s

Para examinar más a fondo las nanoarrays de heterouniones decoradas con GQD, se mostró una imagen TEM de una nanovarilla de GQD / ZnO representativa en la Fig. 3a, lo que demuestra una decoración uniforme de las GQD en las nanovarillas de ZnO. El recuadro de la Fig. 3a corresponde a la imagen HRTEM rodeada por un cuadrado verde. También se han comparado los espectros de UV-DRS de las nanovarillas de ZnO decoradas con / sin GQD, como se muestra en la Fig. 3b. Los dispositivos muestran una fuerte absorción en la región ultravioleta. Además, la intensidad de absorción de la luz de la matriz de nanovarillas de ZnO decorada con GQD se mejora en un factor de aproximadamente un 20%, en comparación con la de las nanovarillas de ZnO desnudas. La mayor absorción de UV de las nanovarillas de ZnO tratadas con GQD hace que el dispositivo sea más adecuado cuando se aplica en fotodetectores de UV. Mientras tanto, el PMMA puro absorbe principalmente luz en el rango de 300 ~ 350 nm, que se muestra en la Fig. 3b. En nuestro estudio, la fuente de irradiación de luz ultravioleta es de 365 nm; por lo tanto, el efecto del PMMA en el rendimiento de la fotorrespuesta de todo el dispositivo es insignificante.

un Imagen TEM de una nanovarilla de ZnO / GQD representativa (recuadro:imagen HRTEM del círculo verde en ( a )). b Espectros de absorción de UV-DRS de las nanovarillas de GQD / ZnO, nanovarillas de ZnO desnudas y PMMA

La Figura 4a, b traza las curvas de características I – V de los fotodetectores ZnO NR / GaN UV decorados con y sin GQD en la oscuridad (densidad de potencia =0 mW / cm ² ) e iluminación ultravioleta ( λ =365 nm, densidad de potencia =120 mW / cm ² ), respectivamente. En la oscuridad, la curva característica I – V exhibe una característica rectificadora típica con una corriente de fuga muy baja, y la corriente aumenta linealmente con el voltaje aplicado que se muestra en el recuadro de la Fig. 4a, lo que significa el contacto óhmico entre la heterounión y los electrodos, mientras que la corriente oscura aumenta ligeramente al recubrir la heterounión con GQD. Cuando se irradió con luz ultravioleta, la fotocorriente del fotodetector decorado sin GQD casi se mantuvo igual. Sin embargo, la fotocorriente del dispositivo recubierto con GQD aumenta drásticamente y alcanza un gran valor de 0,4 mA con la polarización aplicada de 1,5 V, que es más de 40 veces mayor que su correspondiente corriente oscura.

un Las curvas características I-V de los fotodetectores UV bajo irradiación de luz oscura y UV decoradas con / sin GQD (recuadro:las curvas características I-V ampliadas de los fotodetectores UV). b Las curvas características I – V iluminadas con luz ultravioleta de diferentes densidades de potencia incidente (mW / cm ² ). c La fotorrespuesta a diferentes densidades de potencia de luz incidente (mW / cm ² ). d La capacidad de respuesta (rojo) y la detectividad (azul) en función de la densidad de potencia de la luz incidente, respectivamente

Además, examinamos la fotorrespuesta de los fotodetectores UV de ZnO / GaN bajo iluminación de luz UV de 365 nm con una polarización de 10 V. La Figura 4c muestra la dependencia del tiempo de la fotocorriente con respecto a las densidades de potencia incidente de 9,5, 10, 25, 50, 70 y 100 mW / cm ² . Se puede encontrar que cuando la densidad de potencia incidente es de 9,5 mW / cm ² , la corriente de luz del dispositivo no mostró respuesta. Mientras tanto, la precisión mínima de la lámpara UV es de 0,5 mW / cm ² . Por tanto, podemos inferir que la intensidad de luz mínima detectada por el dispositivo está entre 9,5 ~ 10 mW / cm ² . La fotocorriente aumentó al aumentar la densidad de potencia de la luz y cambió instantáneamente en respuesta a los ciclos de encendido / apagado de la fuente de luz. La conmutación reversible y reproducible reveló una buena estabilidad de los dispositivos. Además, el rendimiento del fotodetector se puede cuantificar mediante la capacidad de respuesta ( R _λ ), definido como [25],

\ ({R} _ {\ lambda} =\ frac {I _ {\ mathrm {ph}}} {P _ {\ mathrm {opt}}} \)

donde yo _ph es la diferencia entre las corrientes medidas bajo iluminación con luz y en oscuridad, P _optar es la potencia incidente del dispositivo y λ es la longitud de onda de la luz de excitación. Las respuestas calculadas del dispositivo bajo densidades de potencia incidente de 25, 50, 70, 100 y 120 mW / cm ² eran 34, 21, 16,4, 13 y 12,9 mA / W, respectivamente.

La Figura 4d muestra la capacidad de respuesta del fotodetector en función de la densidad de potencia incidente. El dispositivo es muy sensible a la iluminación con luz ultravioleta. Con el aumento de la potencia de la luz de iluminación, la detectividad y la capacidad de respuesta disminuyen obviamente, lo que podría deberse a la saturación de absorción de ZnO o al apantallamiento del campo eléctrico incorporado por los electrones fotoexcitados en la banda de conducción de ZnO [36]. Suponiendo que el ruido corto de la corriente oscura es la principal fuente de ruido, la detectividad específica (D *) se puede expresar como [37]:

\ ({D} ^ {\ ast} =\ frac {R _ {\ lambda}} {{\ left (2e \ cdot {I} _ {\ mathrm {dark}} / S \ right)} ^ {1/2 }} \)

donde e es la carga de un electrón y I _oscuro es la corriente oscura. En consecuencia, la detección máxima de hasta 10 ¹² Jones, que es superior a la de los fotodetectores basados en la mayoría de los fotodetectores de ZnO [38, 39]. El empleo de GQD como absorbentes de luz y donantes de electrones podría atribuirse a la mejora de la concentración del portador en la unión heterogénea, mejorando así en gran medida la capacidad de respuesta y la detección de los fotodetectores UV.

Para examinar la tasa de respuesta y la estabilidad de los fotodetectores UV n-ZnO / n-GaN decorados con GQD, se midió la fotocorriente resuelta en el tiempo a 10 V de polarización con múltiples ciclos de encendido / apagado. Como se muestra en la Fig. 5a, la fotocorriente del dispositivo exhibe dos estados distintos, un estado de corriente baja en la oscuridad y un estado de corriente alta bajo iluminación de luz UV de 365 nm. La corriente aumenta bruscamente de un estado a otro, lo que indica una tasa de respuesta muy rápida de las dos muestras. Como se muestra en la Fig. 5b, la fotocorriente resuelta en el tiempo reveló que la tasa de respuesta de los fotodetectores UV de ZnO decorados con GQD es más rápida que la del desnudo. En vista del proceso, la corriente aumentaría rápidamente hasta el valor saturado con la iluminación ultravioleta. Los tiempos de subida correspondientes a los fotodetectores de heterounión decorados con y sin GQD fueron ~ 100 ms y ~ 260 ms, respectivamente. Cuando la luz está apagada, la fotocorriente cae rápidamente al valor de la corriente oscura después de ~ 120 ms y ~ 250 ms, que corresponden a los fotodetectores ZnO NR / GaN UV decorados con y sin GQD, respectivamente. La tasa de respuesta en nuestros estudios es comparable o incluso más rápida que muchos resultados informados, que se muestran en la Tabla 1.

un El encendido / apagado reproducible del dispositivo decorado con / sin GQD con iluminación de luz de 365 nm con un ciclo de 20 s bajo polarización de 10 V, respectivamente. b Las porciones ampliadas de las transiciones de luz apagada a luz encendida y de luz encendida a apagada con / sin decoración GQD, respectivamente

Los diagramas esquemáticos del mecanismo de fotorrespuesta para el fotodetector UV se ilustran en el Esquema 2. El oxígeno de la superficie de las nanobarras de ZnO es un factor crucial para influir en la fotorrespuesta observada. Como se muestra en el Esquema 2a, el proceso de captura de electrones está mediado principalmente por el proceso de adsorción y desorción de oxígeno en la superficie de ZnO NR en circunstancias ambientales. Las moléculas de oxígeno absorbidas capturan en primer lugar los electrones libres de los ZnO NR, lo que lleva a la formación de una capa de agotamiento cerca de la superficie e iones de oxígeno cargados (O ₂ ^- ). La capa de agotamiento disminuye la conductividad de ZnO NR. Cuando los ZnO NR se iluminaron con luz UV de 365 nm con el nivel de energía por encima o cerca de la banda prohibida de ZnO, se generan los pares de electrones y huecos. Después de eso, la mayoría de los agujeros fotogenerados son atrapados rápidamente por iones de oxígeno (O ₂ ^- ), lo que da como resultado la descarga de iones de oxígeno y la desorción del oxígeno de la superficie de ZnO. El proceso de captura de agujeros se atribuye al aumento de la concentración de portadores libres, produciendo una aparente mejora en la conductividad. Cuando se apaga la irradiación UV, los agujeros se recombinan con electrones y el oxígeno se vuelve a adsorber en nanobarras de ZnO nuevamente. El mecanismo de fotorrespuesta para el fotodetector UV n-ZnO / n-GaN decorado con GQD es similar, mientras que se generarían más electrones si los ZnO NR estuvieran recubiertos con GQD.

un Los diagramas esquemáticos del fotodetector ZnO NRs / GaN UV decorados sin y con GQD. b Diagrama de bandas de energía del compuesto GQD-ZnO NRs y su mecanismo de transporte de portadores en la región interfacial irradiada con luz ultravioleta

El esquema 2b muestra el diagrama de bandas del compuesto GQDs-ZnO / GaN y su mecanismo de transporte / separación de portadores en la región interfacial bajo irradiación UV. La banda prohibida de ZnO es de alrededor de - 3,27 eV, y su banda de conducción se encuentra a - 4,35 eV por debajo del nivel de vacío [40]. La banda prohibida de n-GaN es de aproximadamente - 3,39 eV, y su banda de conducción se encuentra a - 4,20 eV por debajo del nivel de vacío [41]. Cuando los dos semiconductores entran en contacto, aparece una barrera de energía de 0,15 eV entre las dos bandas de conducción (Δ E _c ). Las posiciones HOMO y LUMO de las GQD se obtuvieron de la bibliografía en la que las GQD se prepararon mediante el mismo método [42]. La banda prohibida de los GQD es de alrededor de 1,5 eV con su banda LUMO de - 3,5 ~ 3,7 eV y la banda HOMO de - 5,1 ~ 5,4 eV frente al nivel de vacío [43]. El nivel de la banda CB de GaN y GQD es más alto que el de ZnO, mientras que el nivel de la banda VB de ZnO es más alto que el de GaN y GQD. Por lo tanto, cuando el ZnO está decorado con GQD irradiados con luz ultravioleta, las bandas de GaN y GQD se doblarán hacia abajo y las bandas de ZnO se doblarán hacia arriba cerca de la interfaz. Luego, los electrones fotogenerados en la banda de conducción de GaN y GQD se pueden transferir de manera eficiente a la banda de conducción de ZnO. En comparación con el portador mayoritario, el movimiento de los huecos en la banda de valencia de n-GaN y n-ZnO puede despreciarse. Como resultado, hay un aumento significativo de electrones desapareados tras la iluminación UV que podría contribuir a mejorar la inyección y el transporte del portador y, por lo tanto, aumentar drásticamente la fotocorriente. Durante este proceso, la rápida separación de pares de electrones y huecos fotogenerados y la migración eficiente del portador son responsables de la rápida tasa de respuesta.

Conclusiones

La fotocorriente y la tasa de detección de las heterouniones de n-ZnO / n-GaN decoradas con GQD iluminadas con luz ultravioleta se mejoran notablemente en comparación con la de los detectores de n-ZnO / n-GaN puros. La fotocorriente máxima del dispositivo híbrido alcanza 0,4 mA con la polarización aplicada de 1,5 V, que es más de 40 veces mayor que su correspondiente corriente oscura. El dispositivo mostró una respuesta UV selectiva con una duración de pulso en milisegundos. El rendimiento superior de las heteroestructuras de ZnO / GaN se atribuye a la inmovilización eficiente de GQD en ZnO NR que funcionan como absorbentes de luz y donantes de electrones, y también al alineamiento apropiado de la banda de energía en híbridos de ZnO / GaN decorados con GQD. El dispositivo de diseño tiene la posibilidad de utilizar el efecto sinérgico de los compuestos múltiples, allanando el camino para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos de tipo n eficientes sensibilizados con GQD.

Abreviaturas

FE-SEM:: Microscopio electrónico de barrido por emisión de campo
GQD:: Puntos cuánticos de grafeno
HR-TEM:: Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución
ICP:: Plasma acoplado inductivamente
ITO:: Óxido de indio y estaño
MOCVD:: Deposición de vapor químico metalorgánico
PMMA:: Polimetilmetacrilato
XPS:: Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X
XRD:: Difractómetro de rayos X
ZNRA:: Matriz de nanovarillas de ZnO

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