Nanopelículas de Bi₂O₂Se ofrecen fotodetección infrarroja cercana excepcional: 101 A/W responsividad, 30 ms respuesta, 20.300 % eficiencia cuántica

Resumen

Las propiedades fotoeléctricas de infrarrojo cercano (NIR) de nanopelículas multicapa de Bi₂O₂Se se estudiaron sistemáticamente en este artículo. Las nanopelículas multicapa de Bi₂O₂Se demuestran una respuesta fotosensible al NIR, que incluye una alta fotoresponsividad (~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 × 10¹⁰ Jones). Estos resultados muestran que el dispositivo basado en nanopelículas multicapa de Bi₂O₂Se podría tener grandes potenciales para futuras aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos NIR ultrasensibles y ultrarrápidos.

Antecedentes

Los fotodetectores 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, grafeno, dicalcogenuros de metales de transición (TMDs) y fósforo negro, han surgido como candidatos prometedores con gran potencial para aplicaciones infrarrojas [4,5,6,7,8,9]. Debido a las intrigantes propiedades de los materiales 2D, incluyendo espesor ultradelgado, alta flexibilidad mecánica, banda prohibida adecuada y ajustable, características optoelectrónicas ultrarrápidas y heteroestructuras de van der Waals fácilmente adaptables, los materiales 2D en capas se han considerado medios IR competitivos para fotodetectores de próxima generación [10,11,12].

Muy recientemente, el bismuto oxiselenuro en capas (Bi₂O₂Se) fue descubierto como un semiconductor 2D prometedor con alta movilidad de electrones, fotorespuesta ultrarrápida, excelente estabilidad ambiental y fácil acceso a producción a gran escala mediante un sencillo método de deposición química 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] reportaron sucesivamente que Bi₂O₂Se poseía excelentes propiedades fotoeléctricas en infrarrojo cercano (NIR). Sin embargo, se centraron principalmente en Bi₂O₂Se de capa delgada (espesor ~7 nm). Estudios previos con respecto a otros materiales 2D, como MoS₂ [16] y MoSe₂ [17,18], mostraron que nanoescamas multicapa también poseían un rendimiento fotoeléctrico extraordinario comparado con monocapa o capa delgada. De hecho, el Bi₂O₂Se multicapa puede ser más atractivo que el de capa delgada para aplicaciones FET en configuración de transistor de película delgada (TFT) [16,19]. Por ejemplo, la densidad de estados en Bi₂O₂Se multicapa es mucho mayor que en el de capa delgada, lo que puede producir corrientes de impulso considerablemente altas en el límite balístico [13,14]. En TFTs de canal largo, múltiples canales conductores pueden crearse por efectos de campo en Bi₂O₂Se multicapa, lo que puede impulsar la corriente de impulso de los TFTs, similar a MOSFETs de silicio sobre aislante [19]. Además, Bi₂O₂Se multicapa ofrece una respuesta espectral más ancha que el de capa delgada, debido a su banda prohibida más estrecha, lo que puede ser ventajoso en una variedad de aplicaciones de fotodetectores [20]. Sin embargo, los fotodetectores basados en Bi₂O₂Se multicapa no han sido estudiados extensivamente para uso en electrónica u optoelectrónica.

Por tanto, las propiedades fotoeléctricas NIR de Bi₂O₂Se multicapa (espesor ~30 nm) se estudiaron sistemáticamente en este artículo. El fotodetector basado en Bi₂O₂Se multicapa demuestra una ultra-sensible fotorespuesta de 850 a 1550 nm con buena reproducibilidad a temperatura ambiente. Su fotoresponsividad alcanza 101 A/W a 1000 nm, junto con un tiempo de subida y decaimiento rápido de 30 ms y 60 ms, respectivamente. Comparado con Bi₂O₂Se de capa delgada, Bi₂O₂Se multicapa tiene mayor fotoresponsividad y eficiencia cuántica externa, mientras mantiene un tiempo de respuesta relativamente rápido y alta tasa de detección. Además, la fotocorriente exhibe una dependencia lineal de la potencia incidente, ofreciendo buena capacidad de ajuste para aplicaciones multipropósito. Estos resultados ofrecen oportunidades para desarrollar la próxima generación de fotodetectores NIR de alta sensibilidad y alto rendimiento a temperatura ambiente.

Métodos

Crecimiento y caracterización de Bi₂O₂Se

Las nanopelículas de Bi₂O₂Se se sintetizaron mediante un método de deposición química de vapor (CVD). Bi₂O₃ y Bi₂Se₃ (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 primero a 640 °C con una tasa de elevación de 30 °C min⁻¹ y se mantuvo durante 60 min con flujo de gas argón. Finalmente, el horno se enfrió a temperatura ambiente naturalmente. Las muestras sintetizadas se caracterizaron por microscopio óptico (Olympus BX51), espectro Raman (WiTec 300R), microscopio de fuerza atómica (modo semi-contacto, empresa NT-MDT) y microscopio electrónico de barrido (empresa FEI). Aquí, 10 nm de aluminio se evaporaron térmicamente primero para evitar el efecto de carga del sustrato de mica antes de la caracterización SEM.

Fabricación del dispositivo

El fotodetector basado en Bi₂O₂Se multicapa se fabricó mediante tecnología micro-nano estándar. Los contactos de fuente y drenaje se definieron por litografía de haz de electrones y seguidos por deposición de una pila metálica de 5 nm Cr/50 nm Au aplicando evaporación de haz de electrones. Nótese que, para prevenir la acumulación de carga en el sustrato de mica durante el proceso EBL, se recubrió con polímero conductor fotorresistente (SX AR-PC-5000) por spin-coating sobre la mica antes del proceso EBL. Finalmente, el dispositivo se unió al portachip para mediciones fotoeléctricas posteriores.

Medición de rendimiento

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

Resultados y discusión

Como ilustra la Fig. 1a, Bi₂O₂Se en capas muestra una estructura tetragonal con grupo espacial I4/mmm, y consiste en capas de óxido covalentemente enlazadas planas (Bi₂O₂) intercaladas por arreglos cuadrados de Se con interacciones electrostáticas relativamente débiles [21]. Este tipo de estructura es similar a la mica. Por tanto, las nanopelículas 2D de Bi₂O₂Se se sintetizan todas en sustrato de mica por método de deposición química de vapor (CVD) hasta ahora [7,14,15]. La Fig. 1b ilustra una vista óptica de gran área de nanopelículas multicapa de Bi₂O₂Se cultivadas. Se ve claramente que las nanopelículas son uniformes y presentan formas casi rectangulares. Las imágenes de microscopio de fuerza atómica (AFM) de nanopelículas de Bi₂O₂Se en nuestro experimento se muestran en la Fig. 1c. Según el espesor teórico de monocapa (≈0,61 nm) [14,15], 30 nm (Fig. 1d) equivale al espesor de alrededor de 49 capas. La Fig. 1e muestra los patrones XRD de nanopelículas de Bi₂O₂Se. Picos discernibles son todos atribuidos a planos de difracción (00l) de Bi₂O₂Se (la orientación cristalina es a lo largo del eje c), consistente con estudios previos [14]. El pico característico A₁g de Bi₂O₂Se puede encontrarse en ≈159,1 cm⁻¹ en el espectro Raman (Fig. 1f), que está en buena consistencia con reportes previos [22]. La Fig. 1g muestra la curva I-V típica del dispositivo Bi₂O₂Se. La excelente curva I-V lineal indica que se forman contactos óhmicos. Además, el fotodetector basado en Bi₂O₂Se 2D demuestra una excelente estabilidad ambiental, que es una métrica clave para futuras aplicaciones prácticas [14,15]. De la Fig. 1h, la longitud y ancho medidos del dispositivo son 29 µm y 91 µm, respectivamente.

Como muestra la Fig. 2a, la respuesta fotoeléctrica del fotodetector basado en Bi₂O₂Se multicapa al NIR se midió deliberadamente. Aquí, discutimos principalmente el rendimiento del dispositivo en la banda de telecomunicaciones (1550 nm), ampliamente aplicada en dominios militares, comerciales, públicos y académicos. Se puede ver en la Fig. 2b que I_DS crece obviamente a medida que aumenta la intensidad de luz. Además, la curva I-V del dispositivo bajo iluminación 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 tanto, la respuesta fotoeléctrica del material debe provenir principalmente del efecto fotoconductivo [10].

Para evaluar el rendimiento de los fotodetectores, la fotoresponsividad (R), eficiencia cuántica externa (η) y detectividad (D*) son parámetros críticos que pueden calcularse mediante las siguientes fórmulas [10,17]:

$$ R = I_{ph} / PS $$ (1)

$$ \eta(\lambda) = R_\lambda hc / q\lambda $$ (2)

$$ D^* = I_{ph} / P(2qSI_d)^{1/2} $$ (3)

donde I_ph es la fotocorriente (la diferencia de corriente de drenaje entre estados iluminado (I_i) y oscuro (I_d)), P es la intensidad de 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, deduciendo así la ecuación (3) [7]. Esta simplificación se ha usado para evaluar la fotorespuesta de materiales 2D en capas, como grafeno [23] y WSe₂ [24].

Como se puede ver en la Fig. 2c, el dispositivo tiene una fotorespuesta muy estable y repetible a luz de 1550 nm tras varios ciclos. Su tiempo de respuesta es extremadamente rápido y puede alcanzar 30 ms en subida y 60 ms en decaimiento, respectivamente. Esto se debe a que las nanopelículas ultradelgadas de Bi₂O₂Se cultivadas no tienen estados de trampa en superficie ni niveles de energía de defectos someros. Finalmente, como se muestra en la Fig. 2d, I_ph aumenta monótonamente con P aumentando, siguiendo una relación I~P^α. Aquí, α se deduce como 0,99 para Bi₂O₂Se ajustando los datos experimentales, sugiriendo que la fotocorriente está determinada principalmente por la cantidad de fotones absorbidos [7]. La fotoresponsividad de fotodetectores basados en Bi₂O₂Se multicapa es alrededor de 68 A/W, que exhibe un rendimiento extremadamente alto como fotodetector.

Luego, el rendimiento de respuesta fotoeléctrica del fotodetector basado en Bi₂O₂Se multicapa a longitudes de onda NIR (850-1550 nm) se estudió sistemáticamente. Según el cálculo por las fórmulas establecidas (1)-(3), la fotoresponsividad, eficiencia cuántica externa y detectividad se demuestran en la Fig. 3. Se puede encontrar que el dispositivo tiene una fotoresponsividad muy alta a la banda NIR, que alcanza 101 A/W (900 nm). Además, el fotodetector basado en Bi₂O₂Se multicapa posee una η ultrahigh, que supera 20.000 % a 850 nm, indicando su excelente capacidad de conversión fotoeléctrica. Su tasa de detección puede alcanzar 1,9 × 10¹⁰ 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 tanto, la tendencia de D* (como función de la longitud de onda incidente) es similar a la tendencia de R. Obviamente, comparado con Bi₂O₂Se de capa delgada reportado por Ref. [7] y Ref. [8], Bi₂O₂Se multicapa tiene mayor responsividad fotoeléctrica y eficiencia cuántica externa (voltaje de sesgo fuente-drenaje, 1 V, que es el mismo que Ref. [7] y Ref. [8]), mientras mantiene un tiempo de respuesta relativamente rápido y alta tasa de detección. Notablemente, Ref. [8] solo reportó el tiempo de respuesta intrínseco (1 ps) del material por técnica pump-probe pero sin tiempo de respuesta de dispositivo de fotodetectores Bi₂O₂Se [8].

En general, los materiales 2D en capas no han mostrado aún tal alta sensibilidad en rango de detección NIR. Por ejemplo, los dicalcogenuros de metales de transición (TMDs) usualmente tienen bandas prohibidas demasiado grandes para detectar luz IR [17], mientras que para el grafeno, muestra fotorespuesta de alta velocidad pero sensibilidad intrínseca muy baja menor a decenas de mA/W [25]. Aunque la fotoresponsividad puede mejorarse fabricando heteroestructuras atómicas [26,27,28], aún no funciona perfectamente en la detección NIR. Comparado con otros materiales 2D (Tabla 1), el fotodetector basado en Bi₂O₂Se multicapa muestra un rendimiento fotoeléctrico más excelente, especialmente una alta R y una alta η. Notablemente, si se aplicaba grabado químico para optimizar la geometría de nanopelículas multicapa de Bi₂O₂Se [15], el rendimiento del dispositivo podría mejorarse aún más.

El proceso físico de foto-respuesta de fotodetectores basados en Bi₂O₂Se puede explicarse mediante un diagrama simple de banda de energía (Fig. 4a). Sin iluminación y sin aplicar sesgo de drenaje, el dispositivo está en su estado de equilibrio y sin flujo de corriente en el canal. Iluminar el dispositivo con luz NIR resultará en absorción de luz y excitación de pares electrón-hueco, que pueden ser extraídos aplicando un sesgo drenaje-fuente [29,30,31]. Dado que la barrera de Schottky en el contacto Bi₂O₂Se-metal es muy baja, los portadores de carga foto-generados podrían pasar fácilmente la barrera [16,17,18]. Por tanto, el fotodetector basado en Bi₂O₂Se multicapa exhibió un excelente rendimiento fotoeléctrico.

Importante, el mecanismo de rendimiento fotoeléctrico mejorado debe discutirse. Teóricamente, la absorción óptica de Bi₂O₂Se multicapa es mayor que en Bi₂O₂Se de capa delgada, lo que puede inducir fotocorrientes I_ph más altas [14,20]. La potencia incidente P(x) como función de la distancia x podría expresarse como P(x) = P_in·e^(-α·x), donde α es el coeficiente de absorción de las nanopelículas Bi₂O₂Se a la energía de fotón incidente. La cantidad de potencia absorbida por una losa de Bi₂O₂Se con espesor Δx a una distancia x de la superficie es dR_a = -(dP/dx)·Δx. Entonces, la potencia total absorbida por la película de Bi₂O₂Se de espesor d es R_a = P_in·(1 - e^(-α·d)). Para α·d << 1, la potencia absorbida puede escribirse como R_a = P_in·α·d [16,19]. Aquí, el espesor d en nuestro experimento es 5 veces y 3 veces el de Ref. [7] y Ref. [8], respectivamente. De hecho, las nanopelículas multicapa de Bi₂O₂Se en nuestro trabajo tendrían una mejor R. Sin embargo, aunque con el aumento de absorción óptica, Bi₂O₂Se multicapa tiene algunos inconvenientes, como una mayor densidad de estados (DOS), causando más estados de banda media comparado con monocapa (o capa delgada) [13,14]. Como muestra la Fig. 4b, cuando el dispositivo pasa de "estado encendido" a "estado apagado", los electrones excitados en bandas superiores de Bi₂O₂Se multicapa transitarán primero a los estados de banda media, y luego regresarán a la banda fundamental [16,17,19]. En otras palabras, la vida media del portador τ inevitablemente se inclinará. La misma situación surgirá cuando el dispositivo pase de "estado apagado" a "estado encendido". Curiosamente, comparado con trabajos previos, las nanopelículas multicapa de Bi₂O₂Se aún tienen un tiempo de respuesta rápido, que es satisfactorio en muchas aplicaciones [1,2,3]. Esto significa que la existencia de estados de banda media puede no ser perjudicial para el rendimiento dinámico de las nanopelículas Bi₂O₂Se. Por último, para η grandemente mejorada, dos razones principales juegan papeles fundamentales. Primero, las capas aumentadas mejoran la absorbancia de fotones incidentes. Además, la existencia de estados de banda media permite más canales de transición para electrones excitados. Así, η aumenta significativamente [16,19].

Conclusiones

En resumen, hemos presentado las propiedades fotoeléctricas de fotodetector basado en Bi₂O₂Se multicapa (espesor ~30 nm). Bi₂O₂Se multicapa demuestra una ultra-sensible fotorespuesta de 850 a 1550 nm con buena reproducibilidad a temperatura ambiente, incluyendo una alta fotoresponsividad, un tiempo de respuesta rápido, una alta eficiencia cuántica externa y una alta tasa de detección. Los resultados indican que Bi₂O₂Se multicapa tiene una fotorespuesta relativamente mejor que la de capa delgada.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están totalmente disponibles sin restricción.

Abreviaturas

NIR:

Infrarrojo cercano (Near-infrared)

IR:

Infrarrojo (Infrared)

TFT:

Transistor de película delgada (Thin-film transistor)

AFM:

Microscopio de fuerza atómica (Atomic force microscope)

SEM:

Microscopio electrónico de barrido (Scanning electron microscope)

CVD:

Deposición química de vapor (chemical vapor deposition)

TMDs:

Dicalcogenuros de metales de transición (Transition metal dichalcogenides)