Fotodetector ultravioleta de alto desempenho baseado em nanorods znO decorados com pontos quânticos de grafeno / isotipo de filme de GaN Heterojunções

Resumo

Um novo fotodetector ultravioleta de heterojunção isotípica foi fabricado pelo crescimento de matrizes de n-ZnO nanorod em filmes finos de n-GaN e, em seguida, spin-revestido com pontos quânticos de grafeno (GQDs). Exposto à iluminação UV com um comprimento de onda de 365 nm, a fotorresposta dependente do tempo dos detectores híbridos manifesta alta sensibilidade e transientes consistentes com um tempo de subida de 100 ms e um tempo de decaimento de 120 ms. Enquanto isso, uma detectividade específica ultra-alta (até ~ 10 ¹² Jones) e alta fotorresponsividade (até 34 mA W ⁻¹ ) são obtidos em polarização de 10 V. Em comparação com os detectores de heterojunção simples, o excelente desempenho dos GQDs decorados com heteroestrutura n-ZnO / n-GaN é atribuído à imobilização eficiente de GQDs nas matrizes de nanorod de ZnO. Os GQDs foram explorados como absorvedores de luz e agem como um doador de elétrons para melhorar efetivamente a concentração efetiva de portadores na junção interfacial. Além disso, o alinhamento de banda de energia apropriado em híbridos de ZnO / GaN decorados com GQDs também pode ser um fator potencial para facilitar a fotocorrente induzida por UV e a velocidade de resposta.

Histórico

Os fotodetectores UV têm atraído grande atenção nas áreas de detecção de lançamento de mísseis, pesquisa espacial e astronômica, monitoramento ambiental, calibração e monitoramento de radiação UV e comunicação óptica [1]. Semicondutores com lacunas de banda larga são uma série de escolhas comuns para fotodetectores UV, como GaN [2], CdS [3], ZnO [4, 5], Ga ₂ O ₃ [6], ZnS [7] e SiC [8], uma vez que exibem significativa absorção ultravioleta de UV. Dentre eles, os nanomateriais de ZnO têm sido intensamente explorados para dispositivos optoeletrônicos de comprimento de onda curto, devido ao seu amplo gap (cerca de 3,37 eV) e alta energia de ligação de excitons (cerca de 60 meV) à temperatura ambiente [9,10,11,12].

Muitos esforços têm sido feitos na construção de fotodetectores de UV baseados em ZnO usando cristais únicos de ZnO, filmes finos ou nanoestruturas [13,14,15]. Geralmente, a fotodetecção e o desempenho de fotorresposta do material ZnO são parâmetros-chave para determinar a capacidade do fotodetector UV, que está relacionado com sua condição de superfície, qualidade estrutural e taxa de adsorção e dessorção de oxigênio. A fabricação de ZnO unidimensional é considerada uma solução eficiente para melhorar sua fotodetecção e desempenho de fotorresposta. Enquanto isso, várias nanoestruturas incluindo heteroestruturas [16], homojunções [17], nanocompósitos [18, 19] e ZnO de morfologias especiais [20] também foram relatadas sequencialmente, o que poderia encurtar ainda mais o tempo de aumento e decadência de detectores UV baseados em ZnO . Por comparação, as heterojunções isotípicas n-ZnO / n-GaN provaram ser uma escolha superior devido à sua estrutura cristalina semelhante, parâmetro de rede e lacunas de banda larga (3,37 eV para ZnO e 3,39 eV para GaN), que poderiam gerar portadores do interior, estados localizados excitados por luz ou campo elétrico.

Outro material amplamente utilizado para fabricar heterojunções baseadas em ZnO são os pontos quânticos (QDs), que contribuem para aumentar a separação de cargas fotogeradas e a taxa de transporte em nanoestruturas de ZnO. A decoração de QDs em nanoestruturas de ZnO pode introduzir novas interfaces e melhorar muito a separação de carga por meio da transferência de elétrons de QDs para a banda de condução de ZnO, levando ao aumento da fotorresposta sob irradiação de luz ultravioleta. Recentemente, os pontos quânticos de grafeno (GQDs), um grafeno de camada única com alguns nanômetros na direção bidimensional, tiveram perspectivas de aplicação promissoras como um material de absorção de luz no projeto de fotodetectores de banda larga e dispositivos fotovoltaicos, atribuídos à sua banda dependente do tamanho lacuna e forte absorção óptica [21]. Dhar et al. prepararam uma série de detectores de UV de junção de Schottky nanorod / polímero GQDs decorados [22,23,24]. Yang et al. descobriram que a fotocorrente de nanorod array de ZnO revestido com GQDs (ZNRA) iluminada por luz ultravioleta foi aprimorada notavelmente em comparação com a de nanoarrays puros. Eles propuseram que essa melhoria provavelmente foi atribuída à transferência de carga na interface de GQDs e ZNRA [25]. Rahimi et al. relataram então que a incorporação de GQDs em nanobastões de ZnO alinhados rendeu velocidade de detecção mais rápida, e a fotocorrente excitada por UV máxima é ~ 2,75 vezes maior do que a do filme fino de ZnO puro [26]. Portanto, é razoável utilizar as vantagens dos GQDs mencionados acima para aumentar as propriedades de detecção de UV do ZnO. No entanto, até onde sabemos, não há nenhuma pesquisa relatada que revele a função de GQDs em n-ZnO nanorod arrays / fotodetector n-GaN.

Neste artigo, o fotodetector UV de heterojunção do isotipo n-ZnO / n-GaN decorado com GQDs foi fabricado através de um método fácil. Um aumento óbvio da fotocorrente e boa reprodutibilidade do detector de heterojunção decorado GQDs foi observado, em contraste com o detector n-ZnO / n-GaN. A proporção de corrente foto-escura superior e a taxa de resposta do fotodetector UV híbrido podem ser atribuídas ao efeito sinérgico e às estruturas de banda de energia apropriadas de n-ZnO, n-GaN e GQDs, em que GQDs foram explorados como absorvedores de luz e doadores de elétrons para aumentar significativamente o transporte de elétrons na junção heterogênea do isotipo n-ZnO / n-GaN. Esses esforços ampliam o potencial de aplicação de GQDs em fotodetectores UV e abrem uma nova maneira de explorar os vários desempenhos de fotodetecção, projetando nanoestruturas híbridas.

Métodos / Experimental

Preparação da heterojunção n-ZnO / n-GaN

Todos os reagentes de grau analítico foram adquiridos da Sigma-Aldrich e usados como recebidos sem purificação adicional. As matrizes de nanobastões de n-ZnO / heterojunções de isotipos de filme de n-GaN foram preparadas por meio de um processo de duas etapas. Em primeiro lugar, o filme n-GaN foi sintetizado em Al ₂ O ₃ substrato pelo método de deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD). Em seguida, os ZnO NRs foram cultivados diretamente no filme n-GaN por um método hidrotérmico que foi relatado em estudos anteriores [27]. Em primeiro lugar, o Al ₂ O ₃ substrato plaqueado com filme n-GaN foi colocado em uma solução aquosa contendo acetato de zinco 0,025 M ((CH ₃ COO) ₂ Zn · 2H ₂ O) e hexametileno tetramina 0,025 M (C ₆ H ₁₂ N ₄ ) como precursores. Os precursores foram transferidos para uma autoclave de aço inoxidável revestida com Teflon. Em seguida, a autoclave foi lacrada e levada ao forno. Os tratamentos hidrotérmicos foram realizados a 95 ° C por 12 h. Finalmente, a autoclave foi deixada esfriar naturalmente. As amostras foram retiradas, lavadas várias vezes com água desionizada e secas ao ar.

Síntese de GQDs

Os pontos quânticos de grafeno foram preparados através de um método hidrotérmico utilizando ácido cítrico pirolisado (CA) como o precursor em um ambiente alcalino de acordo com alguma literatura relatada anteriormente [28,29,30]. Normalmente, 0,21 g (1 mmol) de CA e 0,12 g (3 mmol) de hidróxido de sódio (NaOH) foram dissolvidos em 5 mL de água e agitados para formar uma solução límpida. Em seguida, a solução foi transferida para uma autoclave de aço inoxidável forrada com Teflon de 20 mL. A autoclave selada foi aquecida a 160 ° C em um forno elétrico e mantida por mais 4 h. Os GQDs sintetizados foram coletados pela adição de etanol na solução e centrifugados a 10.000 rpm por 5 min e, em seguida, limpos por ultrassom com etanol por três vezes. O sólido pode ser facilmente redisperso em água.

Fabricação de fotodetector UV

O Al ₂ O ₃ substrato banhado com heterojunção n-ZnO / n-GaN foi primeiramente limpo com água desionizada e etanol e seco a 60 ° C ao ar. Em seguida, os GQDs foram revestidos por spin nas heterojunções. Em seguida, os dispositivos foram revestidos por spin com polimetilmetacrilato (PMMA), seguido de condicionamento por plasma indutivamente acoplado (ICP). Os dispositivos foram cobertos por óxido de índio e estanho (ITO) imediatamente, e um eletrodo de Ag foi aplicado em GaN para contatos ôhmicos. A área efetiva final da heterojunção isotípica é de ~ 5 × 5 mm ² . Um diagrama esquemático do processo de fabricação das matrizes de nanobastões n-ZnO / heterojunção de isotipo de filme n-GaN é mostrado no Esquema 1.

Diagrama esquemático do processo de fabricação do fotodetector UV de heterojunção isotípica

Caracterização

A morfologia da superfície dos arranjos de nanobastões de ZnO foi caracterizada usando o microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (FE-SEM, FEI, Quanta FEG). A morfologia e distribuição de tamanho dos GQDs foi caracterizada por microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HRTEM, FEI, Tencai G20). Os espectros de UV-vis foram registrados em um espectrofotômetro Lambda 25 UV-vis (PerkinElmer, EUA). A espectroscopia de fotoluminescência (PL) foi registrada usando um espectrofotômetro de fluorescência Shimadzu RF-5301. A espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) foi realizada usando um espectrômetro de elétrons de raios-X ThermoFisher-250XI com radiação Al Kα monocromatizada focada. As estruturas cristalinas foram medidas usando difratômetro de raios-X (XRD, Brukes, D8 Advance). Os espectros Raman foram examinados usando máquina Raman station 400F (PerkinElmer). A resposta da fotocorrente foi medida por um sistema de caracterização de semicondutor (Keithley 4200), e 300 mW / cm ² Uma lâmpada de xenônio (365 nm) foi empregada como fonte de irradiação de luz ultravioleta.

Resultados e discussões

A Figura 1a apresentou a imagem SEM das matrizes de nanorod ZnO conforme crescido. Matrizes uniformes de nanorod de ZnO em Al ₂ inteiro O ₃ substrato revestido com filme de GaN foram obtidos em condições hidrotérmicas. A Figura 1b mostra a imagem SEM em corte transversal do dispositivo. A espessura do substrato, filme de GaN e NRs de ZnO é medida como 20, 6 e 4 μm, respectivamente. A Figura 1c representa o padrão de difração de raios-X de heterojunções n-ZnO / n-GaN. GaN e ZnO com estrutura cristalina wurtzita têm parâmetros de rede semelhantes, levando à fusão dos (002) picos de difração dos dois semicondutores. Através da análise da curva de oscilação de raios-X de alta resolução, os picos (002) de GaN e ZnO puderam ser observados claramente, mostrado na inserção da Fig. 1c. O pico de difração mais forte (002) indicou que os microrods crescem principalmente ao longo da direção [001]. Na Fig. 1d, a banda D a ≈ 1360 cm ⁻¹ e banda G a ≈ 1600 cm ⁻¹ também podem ser observados, que são atribuídos ao sp ² estrutura grafitada e defeitos / desordens locais de materiais carbonáceos, respectivamente. A alta razão de intensidade de pico D / G demonstrou que grandes quantidades de defeitos e distúrbios existiam na borda ou superfície da estrutura GQDs [31].

a A imagem FE-SEM de matrizes de nanorod de ZnO crescidas sobre filme de GaN em Al ₂ O ₃ substrato (inclinado 45 °). b A imagem FE-SEM em corte transversal do dispositivo. c O padrão de difração de raios-X da amostra de ZnO / GaN (inserção:curva oscilante de alta resolução da reflexão (002) resolvendo picos de ZnO e GaN). d Espectros Raman de heterojunções n-ZnO / n-GaN decoradas com GQDs

A Figura 2a, b mostra as imagens TEM e HRTEM dos GQDs obtidos. Pode-se descobrir que os GQDs têm uma distribuição de tamanho de partícula relativamente uniforme com uma franja de rede de 0,21 nm, e o tamanho lateral médio foi estatisticamente calculado como 3,0 ± 0,6 nm (visto a partir da inserção na Fig. 2a). A Figura 2c mostra o espectro de UV-Vis dos GQDs. Como pode ser visto, há um forte pico em torno de 240 nm, correspondendo à transição π – π * do sp aromático ² clusters, e um ombro mais fraco na faixa de 300 ~ 320 nm, correspondendo à transição n – π * das ligações C =O [32, 33]. Os espectros PL dos GQDs exibem um pico centrado em 442 nm, originado principalmente da transição π → π *. No espectro de pesquisa XPS, dois picos centrados em ~ 284,5 eV e 531,4 eV foram mostrados na Fig. 2d, que corresponde a C 1s e O 1s, respectivamente. O espectro de C 1s de alta resolução demonstra dois picos em 284,8 e 288,7 eV (Fig. 2e). O pico de energia de ligação em 284,8 eV é atribuído a ligações C =C, e o pico de energia de ligação em 288,7 eV é atribuído a ligações O =C – O. O espectro de O 1s de alta resolução da amostra (Fig. 2f) mostra um pico em 531,8 eV, atribuído ao grupo C =O [34]. A análise indica que a estrutura básica da amostra GQD é a unidade aromática, semelhante a algumas literaturas anteriores [35].

a Imagem TEM (inserção:distribuição de tamanho de GQDs). b Imagem HRTEM de GQDs. c Espectros UV-vis e espectros PL dos GQDs (o comprimento de onda de excitação é 365 nm). d Espectros de pesquisa XPS. e Espectros XPS de alta resolução C 1s. f Espectros XPS de alta resolução O 1s

Para examinar mais detalhadamente os nanoarranjos de heterojunção decorados com GQDs, a imagem TEM de um nanorod GQDs / ZnO representativo foi mostrado na Fig. 3a, demonstrando uma decoração uniforme de GQDs nos nanobastões de ZnO. A inserção na Fig. 3a corresponde à imagem HRTEM circulada por um quadrado verde. Os espectros de UV-DRS dos nanobastões de ZnO decorados com / sem GQDs também foram comparados, mostrado na Fig. 3b. Os aparelhos apresentam forte absorção na região ultravioleta. Além disso, a intensidade de absorção de luz do arranjo de nanobastões de ZnO decorado com GQDs é aumentada por um fator de aproximadamente 20%, em comparação com os nanobastões de ZnO nus. A maior absorção de UV dos nanobastões de ZnO tratados com GQDs torna o dispositivo mais adequado quando aplicado em fotodetectores de UV. Enquanto isso, o PMMA puro absorve principalmente luz na faixa de 300 ~ 350 nm, mostrado na Fig. 3b. Em nosso estudo, a fonte de irradiação de luz ultravioleta é 365 nm; portanto, o efeito do PMMA no desempenho de fotorresposta de todo o dispositivo é insignificante.

a Imagem TEM de um nanorod representativo de GQDs / ZnO (detalhe:imagem HRTEM do círculo verde em ( a )). b Espectros de absorção UV-DRS dos nanobastões GQDs / ZnO, nanobastões ZnO nus e PMMA

A Figura 4a, b traça as curvas características I – V dos fotodetectores ZnO NRs / GaN UV decorados com e sem GQDs no escuro (densidade de potência =0 mW / cm ² ) e iluminação UV ( λ =365 nm, densidade de potência =120 mW / cm ² ), respectivamente. No escuro, a curva característica I – V exibe uma característica retificadora típica com uma corrente de fuga muito baixa, e a corrente aumenta linearmente com a tensão aplicada mostrada na inserção da Fig. 4a, significando o contato ôhmico entre a heterojunção e os eletrodos, enquanto a corrente escura aumenta ligeiramente revestindo a heterojunção com GQDs. Quando irradiada sob luz ultravioleta, a fotocorrente do fotodetector decorado sem GQDs quase se manteve a mesma. No entanto, a fotocorrente do dispositivo revestido com GQDs aumenta dramaticamente e atinge um grande valor de 0,4 mA na polarização aplicada de 1,5 V, que é mais de 40 vezes maior do que sua corrente escura correspondente.

a As curvas características I – V dos fotodetectores UV sob irradiação de luz ultravioleta e escura decoradas com / sem GQDs (inserção:as curvas características I – V ampliadas dos fotodetectores UV). b As curvas características I – V iluminadas com luz ultravioleta de diferentes densidades de potência incidente (mW / cm ² ) c A fotorresposta em diferentes densidades de potência de luz incidente (mW / cm ² ) d A responsividade (vermelho) e a detectividade (azul) em função da densidade de potência da luz incidente, respectivamente

Além disso, examinamos a fotorresposta de fotodetectores ZnO / GaN UV sob iluminação de luz UV de 365 nm com polarização de 10 V. A Figura 4c exibe a dependência do tempo da fotocorrente em relação às densidades de potência incidente de 9,5, 10, 25, 50, 70 e 100 mW / cm ² . Pode ser encontrado que quando a densidade de potência incidente é 9,5 mW / cm ² , a corrente de luz do dispositivo não mostrou resposta. Enquanto isso, a precisão mínima da lâmpada UV é de 0,5 mW / cm ² . Portanto, podemos inferir que a intensidade mínima de luz detectada pelo dispositivo está entre 9,5 ~ 10 mW / cm ² . A fotocorrente aumentou com o aumento da densidade de potência da luz e mudou instantaneamente em resposta aos ciclos de comutação liga / desliga da fonte de luz. A comutação reversível e reproduzível revelou boa estabilidade dos dispositivos. Além disso, o desempenho do fotodetector pode ser quantificado pela responsividade ( R _λ ), definido como [25],

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

onde eu _ph é a diferença entre as correntes medidas sob iluminação com luz e no escuro, P _opt é o poder incidente do dispositivo, e λ é o comprimento de onda da luz de excitação. As responsividades calculadas do dispositivo sob densidades de potência incidente de 25, 50, 70, 100 e 120 mW / cm ² foram 34, 21, 16,4, 13 e 12,9 mA / W, respectivamente.

A Figura 4d mostra a responsividade do fotodetector em função da densidade de potência incidente. O dispositivo é muito sensível à iluminação ultravioleta. Com o aumento da potência da luz de iluminação, a detectividade e a responsividade diminuem obviamente, o que pode ser devido à saturação de absorção do ZnO ou à proteção do campo elétrico embutido pelos elétrons fotoexcitados na banda de condução do ZnO [36]. Assumindo que o ruído curto da corrente escura é a principal fonte de ruído, a detectividade específica (D *) pode ser expressa como [37]:

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

onde e é a carga de um elétron e I _escuro é a corrente escura. Conseqüentemente, a detectividade máxima é de até 10 ¹² Jones foi alcançado, o que é superior ao dos fotodetectores baseados na maioria dos fotodetectores de ZnO [38, 39]. O emprego de GQDs como absorvedores de luz e doadores de elétrons pode ser atribuído ao aumento da concentração de portadores na junção heterogênea, melhorando muito a responsividade e a detectividade dos fotodetectores de UV.

Para examinar a taxa de resposta e a estabilidade dos fotodetectores de UV n-ZnO / n-GaN decorados com GQDs, a fotocorrente resolvida no tempo com polarização de 10 V com vários ciclos liga / desliga foi medida. Conforme mostrado na Fig. 5a, a fotocorrente do dispositivo exibe dois estados distintos, um estado de baixa corrente no escuro e um estado de alta corrente sob iluminação de luz UV de 365 nm. A corrente aumenta acentuadamente de um estado para outro, o que indica uma taxa de resposta muito rápida das duas amostras. Conforme mostrado na Fig. 5b, a fotocorrente resolvida no tempo revelou que a taxa de resposta dos fotodetectores ZnO UV decorados com GQDs é mais rápida do que a do nu. Em vista do processo, a corrente aumentaria rapidamente para o valor saturado na iluminação UV. Os tempos de aumento correspondentes aos fotodetectores de heterojunção decorados com e sem GQDs foram de ~ 100 ms e ~ 260 ms, respectivamente. Quando a luz está desligada, a fotocorrente cai prontamente para o valor da corrente escura após ~ 120 ms e ~ 250 ms que correspondem aos fotodetectores ZnO NRs / GaN UV decorados com e sem GQDs, respectivamente. A taxa de resposta em nossos estudos é comparável ou até mais rápida do que muitos resultados relatados, mostrados na Tabela 1.

a A comutação liga / desliga reproduzível do dispositivo decorado com / sem GQDs em iluminação de luz de 365 nm com um ciclo de 20 s sob polarização de 10 V, respectivamente. b As porções ampliadas das transições light-on para light-on e light-on para light-off com / sem decoração GQDs, respectivamente

Os diagramas esquemáticos do mecanismo de fotorresposta para o fotodetector de UV são ilustrados no Esquema 2. O oxigênio de superfície em nanobastões de ZnO é um fator crucial na influência da fotorresposta observada. Como é mostrado no Esquema 2a, o processo de captura de elétrons é mediado principalmente pelo processo de adsorção e dessorção de oxigênio na superfície de ZnO NRs em circunstâncias ambientais. As moléculas de oxigênio absorvidas em primeiro lugar capturam elétrons livres dos ZnO NRs, levando à formação de uma camada de depleção perto da superfície e íons de oxigênio carregados (O ₂ ^- ) A camada de depleção diminui a condutividade de ZnO NRs. Quando os NRs de ZnO foram iluminados por luz ultravioleta de 365 nm com o nível de energia acima ou perto do gap de ZnO, os pares elétron-buraco são gerados. Depois disso, a maioria dos orifícios fotogerados são rapidamente capturados por íons de oxigênio (O ₂ ^- ), resultando na descarga de íons de oxigênio e dessorção do oxigênio da superfície de ZnO. O processo de captura de furos atribui ao aumento da concentração de portadores livres, produzindo um aparente aumento na condutividade. Quando a irradiação UV é desligada, os buracos se recombinam com elétrons e o oxigênio é reabsorvido em nanobastões de ZnO novamente. O mecanismo de fotorresposta para o fotodetector de UV n-ZnO / n-GaN decorado com GQDs é semelhante, enquanto mais elétrons seriam gerados se os NRs de ZnO fossem revestidos com GQDs.

a Os diagramas esquemáticos do fotodetector ZnO NRs / GaN UV decorado sem e com GQDs. b Diagrama de banda de energia do compósito GQD-ZnO NRs e seu mecanismo de transporte de portadores na região interfacial irradiada por luz ultravioleta

O esquema 2b exibe o diagrama de banda do composto GQDs-ZnO / GaN e seu mecanismo de separação / transporte de portadores na região interfacial sob irradiação UV. O gap do ZnO está em torno de - 3,27 eV, e sua banda de condução está localizada a - 4,35 eV abaixo do nível de vácuo [40]. O gap de n-GaN está em torno de - 3,39 eV, e sua banda de condução está localizada a - 4,20 eV abaixo do nível de vácuo [41]. Quando os dois semicondutores são contatados, uma barreira de energia de 0,15 eV aparece entre as duas bandas de condução (Δ E _c ) As posições HOMO e LUMO dos GQDs foram obtidas na literatura na qual os GQDs foram preparados pelo mesmo método [42]. O gap de GQDs é de cerca de 1,5 eV com sua banda LUMO de - 3,5 ~ 3,7 eV e banda HOMO de - 5,1 ~ 5,4 eV versus nível de vácuo [43]. O nível da banda CB de GaN e GQDs é maior do que o de ZnO, enquanto o nível da banda VB de ZnO é maior do que o de GaN e GQDs. Portanto, quando o ZnO é decorado com GQDs irradiados sob luz ultravioleta, as bandas de GaN e GQDs se dobram para baixo e as bandas de ZnO se dobram para cima perto da interface. Então, os elétrons fotogerados na banda de condução de GaN e GQDs podem ser transferidos de forma eficiente para a banda de condução de ZnO. Em comparação com a portadora majoritária, o movimento dos orifícios na banda de valência de n-GaN e n-ZnO pode ser desprezado. Como resultado, há um aumento significativo de elétrons desemparelhados na iluminação UV, o que poderia contribuir para o aumento da injeção e transporte de portadores e, assim, aumentar drasticamente a fotocorrente. Durante esse processo, a rápida separação dos pares elétron-buraco fotogerados e a migração eficiente de portadores são responsáveis pela taxa de resposta rápida.

Conclusões

A fotocorrente e a taxa de detecção de GQDs decorados com heterojunções n-ZnO / n-GaN iluminadas sob luz ultravioleta são notavelmente aprimoradas em comparação com os detectores n-ZnO / n-GaN puros. A fotocorrente máxima do dispositivo híbrido atinge 0,4 mA na polarização aplicada de 1,5 V, que é mais de 40 vezes maior do que sua corrente escura correspondente. O dispositivo mostrou resposta UV seletiva com duração de pulso em milissegundos. O desempenho superior das heteroestruturas ZnO / GaN é atribuído à imobilização eficiente de GQDs em ZnO NRs que funcionam como absorvedores de luz e doadores de elétrons, e também ao alinhamento de banda de energia apropriado em híbridos ZnO / GaN decorados com GQDs. O dispositivo de projeto oferece perspectivas de utilização do efeito sinérgico de multicompostos, abrindo caminho para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos do tipo n eficientes sensibilizados por GQD.

Abreviações

FE-SEM:: Microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo
GQDs:: Pontos quânticos de grafeno
HR-TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução
ICP:: Plasma indutivamente acoplado
ITO:: Óxido de índio estanho
MOCVD:: Deposição de vapor químico orgânico de metal
PMMA:: Polimetilmetacrilato
XPS:: espectroscopia de fotoelétrons de raios-X
XRD:: Difratômetro de raios x
ZNRA:: ZnO nanorod array

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