Aprimoramento significativo de fotodetetores de metal semicondutor de metal MgZnO por meio de acoplamento com plasmons de superfície de nanopartículas de Pt

Resumo

Propusemos e demonstramos os fotodetectores ultravioleta (UV) de MgZnO metal-semicondutor-metal (MSM) assistidos com plasmons de superfície (SPs) preparados pelo método de deposição por pulverização catódica de magnetron de rádio frequência. Após a decoração de sua superfície com nanopartículas de Pt (NPs), a responsividade de todos os fotodetectores de espaçamento de eletrodos (3, 5 e 8 μm) foi aumentada dramaticamente; para nossa surpresa, comparando com eles a responsividade de maior espaçamento da amostra, mais SPs foram reunidos, que são menores do que outros por sua vez. Um mecanismo físico focado em SPs e largura de depleção é fornecido para explicar os resultados acima.

Histórico

ZnO é um semicondutor de óxido com gap amplo de banda direta (~ 3,37 eV) atraente, apresentando dureza de radiação e compatibilidade com o meio ambiente. Essas características o tornam adequado para a fabricação de dispositivos optoeletrônicos de comprimento de onda curto, como fotodetectores UV. No entanto, devido à imaturidade do dopagem do tipo p e outra tecnologia cega à luz solar relacionada, o desempenho dos fotodetectores UV baseados em ZnO ainda é menor do que o esperado. Para a fabricação de fotodetectores UV baseados em ZnO de alto desempenho, um método comum e eficaz é melhorar a qualidade do material e otimizar a tecnologia do dispositivo, mas geralmente é um processo de longo prazo [1,2,3,4,5,6 , 7].

Recentemente, muita atenção tem sido dada aos SPs por sua importância científica fundamental e aplicações práticas promissoras. Os SPs podem ser realizados em revestimentos na superfície de NPs de metal por pulverização catódica de magnetron. Os NPs metálicos na superfície podem aumentar o espalhamento dos fótons incidentes e fazer com que mais fótons atinjam o substrato, e assim, a absorção dos fótons pode ser aumentada [8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18]. Em muitos estudos recentes, as nanopartículas de Ag são consideradas um material melhor. Mas o Ag pode ter sido oxidado na interface ZnO-Ag para formar uma camada de óxido de prata (AgO), eventualmente [19]. Como uma espécie de metal com propriedades novas e de estabilidade no mundo, o elemento platina (Pt) tem sido um importante candidato do material plasmônico, cujos SPs estão na faixa dos UV. Além disso, uma estrutura metal-semicondutor-metal (MSM) foi escolhida preferencialmente para os fotodetectores MgZnO, com as vantagens de uma estrutura de dispositivo plana, foto-resposta rápida e simplicidade no processo de fabricação. No entanto, tem havido uma investigação sistemática bastante limitada dos efeitos combinados da altura da barreira e largura de depleção, embora possa promover o progresso da aplicação prática e da física fundamental perfeita. Neste trabalho, os fotodetectores UV MgZnO com diferentes camadas ativas e espaçamentos de eletrodos foram projetados e fabricados.

Neste trabalho, nós fabricamos fotodetectores UV MgZnO MSM assistidos com SPs preparados pelo método de deposição por pulverização catódica de magnetron de rádio freqüência. Mais importante ainda, a responsividade dos fotodetectores foi aumentada por sputtering metal Pt NPs na superfície do dispositivo. Para demonstrar SPs, então, comparando com espaçamento de eletrodo de 3, 5 e 8 μm a responsividade de espaçamento maior, mais SPs são menores do que outros, por sua vez. Em teoria, mais SPs, mais pares de elétrons-lacunas fotogerados são então criados e a corrente fotográfica é aumentada de acordo. Para nossa surpresa, devido à responsividade de maior espaçamento da amostra, foram recolhidos mais SPs, que são menores que os outros, demonstrando que este método é um poderoso complemento para melhorar o desempenho dos fotodetectores.

Métodos / Experimental

O alvo de MgZnO foi preparado por sinterização de mistura de MgO 99,99% puro e pós de ZnO a 1000 ° C por 10 h em ar ambiente, em seguida, foi colocado em um alvo de zinco. (Os dois alvos se conectaram intimamente pela derivação condutiva de alta temperatura. O diâmetro do alvo Zn é de 7 cm.) Claramente, o fluxo do feixe de MgZnO será encerrado pelo fluxo do feixe de Zn, reduzindo efetivamente a perda de átomos de Zn [20] . A composição do filme de MgZnO pode ser controlada facilmente, mesmo em alta temperatura do substrato.

Os substratos de quartzo foram limpos sucessivamente 30 min com acetona, etanol e água deionizada e, em seguida, secos com ar antes da deposição. O filme de MgZnO foi cultivado primeiro no substrato de quartzo, com pressão total de 3 Pa e potência de pulverização de 120 W, à temperatura ambiente. Finalmente, os eletrodos de dedo superior de Au foram construídos por meio de litografia e condicionamento úmido, que tinham 500 μm de comprimento e 5 μm de largura com espaçamento de 3, 5 e 8 μm, e a soma dos pares de dedos era de 15 (Fig. 1 mostra o esquema do fotodetector).

O esquema 3D de Mg _0,24 Zn _0,76 O UV PDs com estrutura MSM

A identificação da fase do filme MgZnO é caracterizada pelo difratômetro de raios X (DRX) Rigaku Ultima VI com radiação Cu Kα (λ =1,54184 Å) a 40 kV e 20 mA. Um espectrômetro PerkinElmer Lambda 950 é usado para os espectros de absorbância na faixa de comprimento de onda de 200 a 700 nm. As características de corrente-tensão (I-V) dos fotodetectores MgZnO são medidas sob uma polarização de 20 V usando um acessório de teste Agilent 16442A. A resposta espectral para os fotodetectores MgZnO é registrada usando um Zolix DR800-CUST.

Resultados e discussão

Os padrões de XRD dos filmes de MgZnO em diferentes tempos de pulverização são mostrados na Fig. 2. Aqui está um pico de difração localizado a cerca de 34,84 °, que pode ser indexado ao plano (002) de MgZnO, e isso significa que os cristais de filmes de MgZnO são normalmente fabricado ao longo do c -eixo. As intensidades dos picos sem Pt NPs e com sputtering Pt NP MgZnO são quase as mesmas, o que pode provar que a deposição de Pt NPs sputtering depositada na superfície dos filmes de MgZnO não teve efeito na qualidade do cristal dos filmes. A Figura 3 ilustra os espectros de absorção óptica dos filmes sem Pt NPs e com sputtering Pt NP MgZnO [21, 22]; o resultado sugere que o aumento da absorção ocorre para o detector com Pt NPs depositados devido aos modos SP. Em comparação com o filme de MgZnO puro, a absorção do revestimento de filmes de MgZnO com NPs de Pt é aprimorada na faixa do espectro. Simultaneamente, os filmes de MgZnO foram caracterizados por espectrômetro de dispersão de energia (EDS), e a concentração de magnésio é de cerca de 24% (o inset da Fig. 3). Imagem SEM de vista plana da superfície de MgZnO com pulverização por 20 s, com Pt NPs, são mostrados na Fig. 4. O diâmetro médio dos Pt NPs é de cerca de 6,26 ± 0,50 nm.

Os espectros de XRD do Mg _0,24 Zn _0,76 O filme

Espectro de absorção UV-visível do Mg _0,24 Zn _0,76 O filme

Imagem SEM de vista plana da superfície de MgZnO com pulverização catódica por 20 s, com Pt NPs

A Figura 5 mostra a responsividade dos fotodetectores MgZnO (com espaçamento de eletrodo diferente) em relação ao comprimento de onda da luz incidente com polarização de 5 V. As tendências de aumento de responsividade foram totalmente aumentadas com a decoração dos Pt NPs. Notavelmente, nas mesmas condições, todos os fotodetectores aumentam com a diminuição do espaçamento dos eletrodos (3, 5 e 8 μm). Portanto, o componente dominante do aumento da responsividade é o efeito dos Pt NPs. Os resultados indicam que a faixa de intensificação da responsividade pode ser controlada facilmente, o que difere dos métodos convencionais, como alterar a tensão de polarização. Para nossa surpresa, devido à responsividade de maior espaçamento da amostra, mais SPs foram reunidos, que são menores do que outros. Em teoria, como mais SPs aparecem, mais pares de elétrons-lacunas gerados por foto são criados e a corrente da foto é aumentada de acordo. O fenômeno é inconsistente com a teoria. As características não lineares I-V (mostradas na Fig. 6) para os fotodetectores MgZnO indicam que os contatos clássicos de metal-semicondutor de Schottky foram alcançados. Também é mostrado que a corrente escura é ampliada com a diminuição do espaçamento dos eletrodos na mesma polarização, o que pode ser explicado pela largura de depleção da junção metal-semicondutor.

A responsividade dos fotodetectores de MgZnO (com espaçamento de eletrodo diferente) versus comprimento de onda de luz incidente com polarização de 5 V

As características não lineares I-V para os fotodetectores MgZnO indicam que os contatos clássicos de metal-semicondutor Schottky foram alcançados

Para revelar a natureza do fenômeno interessante, duas possíveis razões são propostas como a causa que resulta entre a responsividade aumentada e a corrente escura:(1) A fim de obter os alvos combinatórios ideais dos fotodetectores MgZnO, usamos NPs Pt para modificar o dispositivo novamente. A luz incidente de comprimento de onda correspondente interage com os NPs de metal de forma eficiente, espalhando seções transversais muito maiores do que suas seções transversais geométricas por meio de acoplamento com SPs. O mecanismo para o efeito de espalhamento plasmônico já foi descrito na literatura. Assim, a luz espalhada adquire um certo espalhamento angular na camada de MgZnO. Como resultado, a luz incidente passará várias vezes pelo semicondutor, aumentando o comprimento do caminho óptico efetivo. Mais importante, aumentar o comprimento do caminho óptico pode aumentar a absorção de luz. Os espectros de fotorresposta de com Pt NPs foram gradualmente maiores do que sem dispositivos Pt NP (a Fig. 7a mostra o esquema de SPs). (2) A largura de depleção ( W ) explica por que a responsividade de todos os fotodetectores de MgZnO aumenta com a diminuição do espaçamento dos eletrodos na mesma polarização. A largura de depleção pode ser descrita como [23]
$$ W ={\ left [2 {\ varepsilon} _0 {\ varepsilon} _1 \ left ({\ psi} _0 + V \ right) / {qN} _ {\ mathrm {d}} \ right]} ^ { 1/2} $$ (1)
onde ɛ ₀ é a constante dielétrica absoluta, ɛ ₁ é a constante dielétrica relativa, ψ ₀ é o potencial integrado, V é a tensão de polarização, q é a carga do elétron, e N _d é a concentração de doadores. Conforme o espaçamento dos eletrodos aumenta, a área da película fina do semicondutor aumentará, o que se refere ao aumento da resistência efetiva. ɛ ₀ , ɛ ₁ , ψ ₀ , V , q , e N _d são invariantes, resultando em alargamento à medida que o espaçamento dos eletrodos aumenta, resultando em uma diminuição da tensão que atua na região de depleção. Pode-se ver apenas os efeitos de polarização da largura de depleção; a voltagem aplicada na região de depleção é que ela reduz à medida que o espaçamento do eletrodo aumenta. Conseqüentemente, qualquer portador foto-gerado nesta região seria varrido pelo alto campo elétrico e derivado para os eletrodos de metal. Assim, a quantidade de portadores foto-gerados aumentará, fazendo com que a tendência da responsividade seja contrária ao aumento do espaçamento (Fig. 7b mostra o esquema da largura de depleção). No entanto, todos os fotodetectores aumentam com a diminuição do espaçamento dos eletrodos (3, 5 e 8 μm); sob o mesmo tamanho e densidade de NP, espaçamento de eletrodo maior tem NPs mais excitados; e então a capacidade de campo próximo é acoplada ao semicondutor é mais forte. Mais pares de elétrons-lacunas gerados por foto são então criados, e a corrente da foto é consequentemente aumentada em teoria. É importante notar que a responsividade de todos os fotodetectores aumenta com a diminuição do espaçamento dos eletrodos (3, 5 e 8 μm) e a tensão de polarização é constante. Como mencionado acima, o fator dominante concentra-se na largura de depleção para explicar esse fenômeno interessante. Todos os resultados revelam um caminho viável para melhorar a responsividade dos SPs. Aqui, em comparação com outros materiais comumente usados ou fotodetectores anteriores, muitos átomos de Zn estão perdendo durante o processo de crescimento, o que se deve à maior pressão de vapor de Mg em comparação com o Zn. Haverá muitos defeitos de formação nos filmes devido à deficiência de átomos de Zn. Os porta-fotos serão agravados pelos defeitos e a capacidade de resposta dos fotodetectores cegos para o sol será amplamente reduzida. Além disso, devido à perda de átomos de Zn, a desordem e a flutuação dos conteúdos são difíceis de evitar, e o fenômeno da cauda de reboque será o seguinte. Como resultado, a taxa de rejeição UV-visível diminuirá acompanhando a redução da detectividade. Consequentemente, o controle da razão estequiométrica nos filmes pode ser uma via para melhorar o desempenho dos fotodetectores de MgZnO. Os SPs podem ser realizados em revestimentos na superfície de NPs de metal por pulverização catódica de magnetron. Os NPs de metal na superfície podem aumentar o espalhamento dos fótons incidentes e fazer com que mais fótons atinjam o substrato e, assim, a absorção dos fótons pode ser aumentada. Em teoria, mais SPs, mais pares de elétrons-lacunas fotogerados são então criados e a corrente fotográfica é aumentada de acordo. A fim de demonstrar SPs comparando com espaçamento de eletrodo de 3, 5 e 8 μm a responsividade de espaçamento maior, mais SPs são menores do que outros, por sua vez.

a O esquema dos SPs. b O esquema da largura de depleção

Conclusões

A fim de obter os fotodetectores MgZnO ideais, fabricamos fotodetectores ultravioleta MgZnO MSM com diferentes espaçamentos de eletrodos (3, 5 e 8 μm). Então, temos uma nova abordagem (usamos Pt NPs para modificar o dispositivo) para aumentar o desempenho dos dispositivos. Para nossa surpresa, ao comparar com eles a responsividade de uma amostra de espaçamento maior, mais SPs foram reunidos, os quais são menores do que outros, por sua vez. Detalhamos a largura de depleção mais ampla, para explicar a responsividade otimizada, e propomos que os SPs de NPs de Pt aumentaram o espalhamento da luz incidente, o que é benéfico para futuras investigações em fotodetectores de filmes. Estudos adicionais estão em andamento para desenvolver fotodetectores UV MgZnO de alta qualidade.

Abreviações

AgO:: Óxido de prata
EDS:: Espectrômetro de dispersão de energia
MSM:: Metal-semicondutor-metal
NPs:: Nanopartículas
SPs:: Plasmões de superfície
UV:: Ultravioleta

Dieletroforese de ondas moduladas por frequência de vesículas e células:inversões periódicas na frequência de cruzamento Captação de fotossensibilizador de cloro e6 por nanossistema híbrido de poliestireno-difeniloxazol-poli (N-isopropilacrilamida) estudado por transferência eletrônica de energia por excitação

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias