Propriedades fotoelétricas de infravermelho próximo de nanofilmes multicamadas Bi2O2Se

Resumo

As propriedades fotoelétricas do infravermelho próximo (NIR) de multicamadas Bi ₂ O ₂ Nanofilmes de Se foram sistematicamente estudados neste artigo. Bi multicamadas ₂ O ₂ Os nanofilmes de Se demonstram uma foto resposta sensível ao NIR, incluindo uma alta fotorresponsividade (~ 101 A / W), um tempo de resposta rápido (~ 30 ms), uma alta eficiência quântica externa (~ 20.300%) e uma alta taxa de detecção (1,9 × 10 ¹⁰ Jones). Esses resultados mostram que o dispositivo baseado em multicamadas Bi ₂ O ₂ Nanofilmes de Se podem ter grande potencial para futuras aplicações em dispositivos optoeletrônicos NIR ultrarrápidos e altamente sensíveis.

Histórico

Os fotodetectores infravermelhos (IR) têm sido amplamente investigados e estudados desde suas delicadas aplicações nos domínios militar, comercial, público e acadêmico [1,2,3]. Na última década, materiais bidimensionais (2D), por exemplo, grafeno, dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) e fósforo preto, têm crescido como candidatos promissores com grande potencial para aplicações de infravermelho [4,5,6,7,8 , 9]. Devido às propriedades intrigantes dos materiais 2D, incluindo a espessura ultrafina, flexibilidade altamente mecânica, intervalo de banda adequado e ajustável, características optoeletrônicas ultra-rápidas e heteroestruturas de van der Waals facilmente adaptadas, materiais em camadas 2D têm sido considerados a mídia IR competitiva para a próxima geração fotodetectores [10,11,12].

Muito recentemente, o oxisselenido de bismuto em camadas (Bi ₂ O ₂ Se) foi descoberto como um semicondutor 2D promissor com alta mobilidade de elétrons, fotorresposta ultrarrápida, excelente estabilidade ambiental e fácil acessibilidade para grande produção por meio de um método de deposição de vapor químico fácil (CVD), tornando-o atraente para aplicações eletrônicas e optoeletrônicas [7, 8, 13,14,15]. Anteriormente, He Jun et al. [7] e Peng Hailin et al. [8] relatou sucessivamente que Bi ₂ O ₂ Possui excelentes propriedades fotoelétricas ao infravermelho próximo (NIR). No entanto, eles se preocupam principalmente com Bi ₂ de camada fina O ₂ Se (espessura ~ 7 nm). Estudos anteriores com relação a outros materiais 2D, como MoS ₂ [16] e MoSe ₂ [17, 18], mostraram nanoflocos multicamadas também possuíam um desempenho fotoelétrico extraordinário em comparação com monocamada ou camada fina. Na verdade, multicamadas Bi ₂ O ₂ Se pode ser mais atraente do que Bi ₂ de camada fina O ₂ Se para aplicações FET na configuração de transistor de filme fino (TFT) [16, 19]. Por exemplo, a densidade de estados em multicamadas Bi ₂ O ₂ Se é muito maior do que em Bi ₂ de camada fina O ₂ Se, que pode produzir correntes de acionamento consideravelmente altas no limite balístico [13, 14]. Em TFTs de canal longo, múltiplos canais de condução podem ser criados por efeitos de campo em multicamadas Bi ₂ O ₂ Se, que pode aumentar o impulso atual dos TFTs, semelhante aos MOSFETs de silício sobre isolador [19]. Além disso, multicamadas Bi ₂ O ₂ Se oferece uma resposta espectral mais ampla do que Bi ₂ de camada fina O ₂ Se, devido ao seu bandgap mais estreito, que pode ser vantajoso em uma variedade de aplicações de fotodetectores [20]. Ainda, multicamadas Bi ₂ O ₂ Os fotodetectores baseados em Se não foram extensivamente estudados para uso em eletrônica ou optoeletrônica.

Portanto, as propriedades fotoelétricas NIR de multicamadas Bi ₂ O ₂ Se (espessura ~ 30 nm) foram sistematicamente estudados neste artigo. Bi multicamadas ₂ O ₂ O fotodetector baseado em Se demonstra uma fotorresposta ultrassensível de 850 a 1550 nm com uma boa reprodutibilidade à temperatura ambiente. Sua fotorresposta atinge 101 A / W a 1000 nm, junto com um rápido tempo de subida e um tempo de decaimento de 30 ms e 60 ms, respectivamente. Comparado com Bi ₂ de camada fina O ₂ Se, multicamadas Bi ₂ O ₂ O Se tem maior fotorresponsividade e eficiência quântica externa, enquanto ainda mantém um tempo de resposta relativamente rápido e uma alta taxa de detecção. Além disso, a fotocorrente exibe uma dependência linear da potência incidente, oferecendo uma boa capacidade de ajuste para aplicações polivalentes. Esses resultados oferecem a oportunidade de desenvolver a próxima geração de fotodetectores de temperatura ambiente NIR ultrassensíveis e de alto desempenho.

Métodos

Crescimento e caracterização de Bi ₂ O ₂ Se

O Bi ₂ O ₂ Nanofilmes de Se foram sintetizados por meio de um método de deposição química de vapor (CVD). Bi ₂ O ₃ e Bi ₂ Se ₃ (Alfa Aesar) foram localizados no centro do forno tubular horizontal (Lindberg / Blue M), e os substratos de mica (Tiancheng Fluorphlogopite Mica Company Ltd., China) foram colocados a jusante como substratos. O forno foi inicialmente aquecido a 640 ° C com taxa de elevação de 30 ° C min ⁻¹ e mantido por 60 min com um fluxo de gás argônio. Finalmente, o forno foi resfriado à temperatura ambiente naturalmente. As amostras sintetizadas foram caracterizadas por microscópio óptico (Olympus BX51), espectro Raman (WiTec 300R), microscópio de força atômica (modo semicontato, empresa NT-MDT) microscópio eletrônico de varredura (empresa FEI). Aqui, o alumínio de 10 nm foi primeiramente evaporado termicamente para evitar o efeito de carga do substrato de mica antes da caracterização SEM.

Fabricação de dispositivos

O fotodetector baseado em multicamadas Bi ₂ O ₂ Se foi fabricado por uma tecnologia micro-nano padrão. Os contatos da fonte e do dreno foram definidos por litografia de feixe eletrônico e seguidos pela deposição de uma pilha de metal 5 nm Cr / 50 nm Au por meio da evaporação do feixe eletrônico. Observe que, para evitar o acúmulo de carga no substrato de mica durante o processo de EBL, o fotorresiste de polímero condutor (SX AR-PC-5000) foi revestido por rotação em mica antes do processo de EBL. Finalmente, o dispositivo foi ligado ao suporte do chip para posterior medição fotoelétrica.

Medição de desempenho

As medidas de fotocorrente foram realizadas por uma plataforma de fotodetecção com lâmpada de xenônio caseira (fonte de luz:BETICAL HDL-II). Na medição, Keithley 2450 foi usado para fornecer o viés fonte-dreno. Ao ligar / desligar a luz, as correntes de drenagem nos estados ligado / desligado foram coletadas. A resposta fotoelétrica do dispositivo em diferentes comprimentos de onda (850-1550 nm) pode ser obtida substituindo diferentes filtros.

Resultados e discussão

Como ilustra a Fig. 1a, Bi ₂ em camadas O ₂ Se mostra uma estrutura tetragonal com grupo espacial I4 / mmm e consiste em camadas planas de óxido covalentemente ligadas (Bi ₂ O ₂ ) ensanduichada por matrizes Se square com interações eletrostáticas relativamente fracas [21]. Esse tipo de estrutura é semelhante à mica. Conseqüentemente, Bi ₂ bidimensional O ₂ Nanofilmes de Se são todos sintetizados no substrato de mica pelo método de deposição química de vapor (CVD) até agora [7, 14, 15]. A Figura 1b ilustra uma visão óptica de grande área de Bi ₂ multicamadas conforme crescido O ₂ Nanofilmes de Se em mica. Percebe-se claramente que os nanofilmes são uniformes e quase apresentam formas retangulares. Imagens de um microscópio de força atômica (AFM) de Bi ₂ O ₂ Nanofilmes de Se em nosso experimento são mostrados na Fig. 1c. De acordo com a espessura teórica da monocamada (≈ 0,61 nm) [14,15], 30 nm (Fig. 1d) é igual à espessura de cerca de 49 camadas. A Figura 1e mostra os padrões de XRD de Bi ₂ O ₂ Nanofilmes de Se. Picos discerníveis são todos atribuídos a (00l) planos de difração de Bi ₂ O ₂ Se (a orientação cristalina é ao longo de c -eixo), consistente com os estudos anteriores [14]. A característica A _1g pico de Bi ₂ O ₂ Se pode ser encontrado em ≈ 159,1 cm ⁻¹ no espectro Raman (Fig. 1f), que está em boa consistência com os relatórios anteriores [22]. A Figura 1g mostra a curva I-V típica de Bi ₂ O ₂ Dispositivo Se. Excelente curva I-V linear indica que os contatos ôhmicos são formados. Além disso, 2D Bi ₂ O ₂ O fotodetector baseado em Se demonstra uma excelente estabilidade ambiental, que é uma métrica chave para futuras aplicações práticas [14, 15]. Na Fig. 1h, o comprimento e a largura medidos do dispositivo são 29 μm e 91 μm, respectivamente.

Caracterização de Bi ₂ em camadas O ₂ Nanofilmes de Se. a Esquema de Bi ₂ em camadas O ₂ Se estrutura de cristal. Bola laranja:Bi. Bola vermelha:O. Bola amarela:Se. b Imagem ótica típica de Bi ₂ conforme crescido O ₂ Nanofilmes de Se em mica. c Imagem AFM de multicamadas Bi ₂ O ₂ Nanofilmes de Se. d Informações de altura correspondentes. A espessura é de ~ 30 nm. e Padrões de XRD. f Espectro Raman excitado usando um laser de 532 nm. g Características de saída de multicamadas Bi ₂ O ₂ Aparelho autônomo, apresentando excelente estabilidade ambiental, mesmo exposto ao ar por 3 meses. A inserção mostra a imagem ótica do dispositivo. h Imagem SEM de multicamadas Bi ₂ O ₂ Se nanofilmes, mostrando as informações da nanoestrutura deste material. A inserção é uma imagem SEM ampliada

Como mostra a Fig. 2a, a resposta fotoelétrica de multicamadas Bi ₂ O ₂ O fotodetector baseado em Se para NIR foi medido deliberadamente. Aqui, discutimos principalmente o desempenho do dispositivo na banda de telecomunicações (1550 nm), que é amplamente aplicado nos domínios militar, comercial, público e acadêmico. Pode ser visto na Fig. 2b que eu _DS obviamente cresce à medida que a intensidade da luz aumenta. Além disso, a curva I-V do dispositivo sob iluminação não demonstra tensão de circuito aberto aparente e corrente de curto-circuito. Este fato indica que a barreira Schottky formada entre o eletrodo e o material não desempenha um papel central na característica de transporte do dispositivo. Portanto, a resposta fotoelétrica do material deve vir principalmente do efeito fotocondutor [10].

Resposta fotoelétrica à banda de telecomunicações (comprimento de onda 1550 nm) de multicamadas Bi ₂ O ₂ Fotodetector baseado em Se. a Vista esquemática em 3D de Bi ₂ O ₂ Fotodetector baseado em Se sob iluminação. b Curvas I-V de Bi ₂ O ₂ Fotodetector baseado em Se sob diferentes intensidades de luz. c Comportamentos de fotorresposta dependente do tempo de Bi ₂ O ₂ Dispositivo SE sob iluminação de luz de 1550 nm ( P =0,26 uW). A inserção mostra uma resposta fotográfica ultrarrápida do dispositivo. d Fotocorrente e fotorresponsividade de Bi ₂ O ₂ Fotodetector baseado em Se sob diferentes intensidades de luz

Para avaliar o desempenho dos fotodetectores, fotorresponsividade ( R ), eficiência quântica externa ( η ) e detectividade ( D * ) são parâmetros críticos que podem ser calculados pela seguinte fórmula [10, 17]:
$$ R ={I} _ {ph} / PS $$ (1) $$ \ eta \ left (\ lambda \ right) ={R} _ {\ lambda} hc / q \ lambda $$ (2) $ $ {D} ^ {\ ast} ={I} _ {ph} / P {\ left (2 qS {I} _d \ right)} ^ {1/2} $$ (3)
onde eu _ph é fotocorrente (a diferença da corrente de dreno entre iluminada ( I _i ) e escuro ( I _d ) estados), P é a intensidade da luz, S é a área efetiva, h é a constante de Planck, c é a velocidade da luz, λ é o comprimento de onda da luz e q a carga eletrônica. Aqui, assumimos que a corrente escura é o maior contribuinte para o ruído de disparo, deduzindo assim à equação (3) [7]. Esta simplificação foi usada para avaliar a fotorresposta de materiais em camadas 2D, como grafeno [23] e WSe ₂ [24].

Como pode ser visto na Fig. 2c, o dispositivo tem uma fotorresposta muito estável e repetível à luz de 1550 nm após vários ciclos. Seu tempo de resposta é extremamente rápido e pode chegar a 30 ms em ascensão e 60 ms em queda, respectivamente. Isso se deve ao fato de que Bi ₂ ultrafino à medida que cresce O ₂ Os nanofilmes de Se não têm estados de armadilha de superfície e níveis de energia de defeito rasos. Finalmente, como mostrado na Fig. 2d, I _ph aumenta monotonicamente com P aumentando, seguindo uma relação I ~ P ^α . Aqui, α é deduzido como 0,99 para Bi ₂ O ₂ Se ajustando os dados experimentais, sugerindo que a fotocorrente é determinada principalmente pelas quantidades de fótons absorvidos [7]. A fotorresponsividade de multicamadas Bi ₂ O ₂ Os fotodetectores baseados em Se têm cerca de 68 A / W, o que exibe um desempenho extremamente alto como fotodetector.

Em seguida, o desempenho da resposta fotoelétrica de multicamadas Bi ₂ O ₂ O fotodetector baseado em Se para os comprimentos de onda NIR (850-1550 nm) foi sistematicamente estudado. De acordo com o cálculo pelas fórmulas declaradas (1) - (3), a fotorresponsividade, eficiência quântica externa e detectividade são demonstradas na Fig. 3. Pode-se verificar que o dispositivo tem uma fotorresponsividade muito alta para a banda NIR, que atinge 101A / W (900 nm). Além disso, multicamadas Bi ₂ O ₂ O fotodetector baseado em Se possui um η ultra-alto , que excede 20.000% a 850 nm, indicando sua excelente capacidade de conversão fotoelétrica. Sua taxa de detecção pode chegar a 1,9 × 10 ¹⁰ a 900 nm, mostrando uma relação sinal-ruído perfeita como fotodetector. Em nossa medição, a corrente escura do dispositivo sempre se mantém em um valor relativamente estável (0,5 μA). Portanto, a tendência de D * (em função do comprimento de onda incidente) é semelhante à tendência de R . Obviamente, em comparação com Bi ₂ de camada fina O ₂ Ver relatado pela Ref. [7] e Ref. [8], multicamadas Bi ₂ O ₂ Se tem maior responsividade fotoelétrica e eficiência quântica externa (tensão de polarização fonte-dreno, 1 V, que é igual à Ref. [7] e Ref. [8]), enquanto ainda mantém um tempo de resposta relativamente rápido e alta taxa de detecção. Visivelmente, Ref. [8] relatou apenas o tempo de resposta intrínseca (1 ps) do material pela técnica de bomba-sonda, mas sem tempo de resposta do dispositivo de Bi ₂ O ₂ Fotodetectores Se [8].

Desempenho fotoelétrico NIR de multicamadas Bi ₂ O ₂ Fotodetector baseado em Se. a Fotorresponsividade, b eficiência quântica externa e c detectividade em função dos comprimentos de onda NIR

Em geral, os materiais em camadas 2D ainda não mostraram tal alta sensibilidade na faixa de detecção NIR. Por exemplo, dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) geralmente têm lacunas de banda muito grandes para detectar luz IV [17], enquanto para o grafeno, mostra fotorresposta de alta velocidade, mas sensibilidade intrínseca muito baixa, inferior a dezenas de mA / W [25]. Embora a fotorresponsividade possa ser melhorada pela fabricação de heteroestruturas atomicamente [26,27,28], ela ainda não funciona perfeitamente na detecção de NIR. Comparado com outros materiais 2D (Tabela 1), multicamadas Bi ₂ O ₂ O fotodetector baseado em Se mostra um desempenho fotoelétrico mais excelente, especialmente um alto R e um alto η . Visivelmente, se a corrosão química foi aplicada para otimizar a geometria de multicamadas Bi ₂ O ₂ Se nanofilmes [15], o desempenho do dispositivo pode ser ainda mais aprimorado.

O processo físico de foto-resposta de Bi ₂ O ₂ Os fotodetectores baseados em Se podem ser explicados por um diagrama de banda de energia simples (Fig. 4a). Sem iluminação e sem aplicação de desvio de dreno, o dispositivo está em seu estado de equilíbrio e sem fluxo de corrente no canal. Iluminar o dispositivo com luz NIR resultará em absorção de luz e excitação de pares elétron-orifício, que podem ser extraídos aplicando uma polarização dreno-fonte [29,30,31]. Desde a barreira Schottky em Bi ₂ O ₂ O contato de se-metal é muito baixo, os portadores de carga foto-gerados poderiam facilmente passar pela barreira [16,17,18]. Portanto, multicamadas Bi ₂ O ₂ O fotodetector baseado em Se exibiu um excelente desempenho fotoelétrico.

Mecanismo físico de multicamadas Bi ₂ O ₂ Fotodetector baseado em Se. a O comportamento de portadores de carga gerados por foto de multicamadas Bi ₂ O ₂ Fotodetector baseado em Se. Aqui, E _F é o nível de energia de Fermi, E _C é a banda de condução mínima, E _V é a banda de valência máxima. b O processo de recombinação (estado “ligado” para “estado desligado”) de Bi ₂ O ₂ Fotodetector baseado em Se. Aqui, CB é a banda de condução, CV é a banda de valência, E _vac é a energia do vácuo, EA é afinidade eletrônica

É importante ressaltar que o mecanismo de desempenho fotoelétrico aprimorado deve ser discutido. Teoricamente, a adsorção óptica de multicamadas Bi ₂ O ₂ Se é maior do que na camada fina Bi ₂ O ₂ Se, o que pode induzir fotocorrentes mais altas I _ph [14, 20]. O poder incidente P (x) em função da distância x pode ser expresso como P (x) =P _em · e ^{−α · x} , onde α é o coeficiente de absorção do Bi ₂ O ₂ Nanofilmes de se na energia do fóton incidente. A quantidade de energia absorvida por uma placa de Bi ₂ O ₂ Veja com espessura Δx à distância x da superfície é dR _a =- (dP / dx) · Δx . Então, a potência total absorvida pelo Bi ₂ O ₂ Filme de espessura d é R _a =P _em · (1 - e ^{−α · d} ) Para α · d <<1, a potência absorvida pode ser escrita como R _a =P _em · α · d [16, 19]. Aqui, a espessura d de em nosso experimento é 5 vezes e 3 vezes de Ref. [7] e Ref. [8], respectivamente. Na verdade, multicamadas Bi ₂ O ₂ Se nanofilmes em nosso trabalho teriam um melhor R . No entanto, embora com o aumento da adsorção óptica, multicamadas Bi ₂ O ₂ Ele tem algumas desvantagens, como maior densidade de estados (DOS), causando mais estados de intervalo médio em comparação com monocamada (ou camada fina) [13, 14]. Como mostra a Fig. 4b, quando o dispositivo passa de "estado ligado" para "estado desligado", os elétrons excitados em bandas superiores de Bi ₂ O ₂ Se vai primeiro transitar para os estados de gap intermediário e, em seguida, voltar para a faixa terrestre [16, 17, 19]. Em outras palavras, a vida útil do portador τ irá inevitavelmente inclinar. A mesma situação surgirá quando o dispositivo passar do “estado desligado” para o “estado ligado”. Curiosamente, em comparação com o trabalho anterior, multicamadas Bi ₂ O ₂ Nanofilmes de Se ainda têm um tempo de resposta rápido, o que é satisfeito em muitas aplicações [1,2,3]. Isso significa que a existência de estados de intervalo intermediário pode não ser prejudicial para o desempenho dinâmico de Bi ₂ O ₂ Nanofilmes de Se. Por último, para um η bastante aprimorado , duas razões principais desempenham papéis essenciais. Em primeiro lugar, as camadas aumentadas melhoram a absorvância dos fótons incidentes. Além disso, a existência de estados de intervalo médio permite mais canais de transição para elétrons excitados. Assim, η aumenta significativamente [16, 19].

Conclusões

Em resumo, apresentamos as propriedades fotoelétricas de multicamadas Bi ₂ O ₂ Fotodetector baseado em Se (espessura ~ 30 nm). Bi multicamadas ₂ O ₂ Se demonstra uma fotorresposta ultrassensível de 850 a 1550 nm com boa reprodutibilidade em temperatura ambiente, incluindo uma alta fotorresposta, um tempo de resposta rápido, uma alta eficiência quântica externa e uma alta taxa de detecção. Os resultados indicam que multicamadas Bi ₂ O ₂ Se tem uma fotorresposta relativamente melhor do que a de camada fina.