Fotodetector controlado por comprimento de onda baseado em nanobelt de CdSSe único

Resumo

Nanobelts de CdSSe (NBs) são sintetizados por evaporação térmica e, em seguida, caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (SEM), difração de raios-X (XRD), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), microscopia eletrônica de alta resolução (HRTEM), espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS), fotoluminescência (PL) e catodoluminescência (CL). Verifica-se que os RNs CdSSe apresentam boa morfologia e microestrutura sem defeitos. CL é sensível aos defeitos de CdSSe NBs; assim, podemos selecionar um nano-cinto único com emissão de CL homogênea para preparar um detector. Com base nele, o fotodetector de CdSSe NB único foi desenvolvido e suas propriedades fotoelétricas foram investigadas em detalhes. Verificou-se que sob iluminação de luz branca e na tensão de polarização de 1 V, a fotocorrente de um único dispositivo nanocorrente CdSSe é 1,60 × 10 ⁻⁷ A, a corrente escura é 1,96 × 10 ⁻¹⁰ A, e a razão entre a corrente clara e a escura é 816. Além disso, o detector de nanobelt CdSSe tem alto desempenho fotoelétrico com responsividade espectral de 10,4 AW ⁻¹ e eficiência quântica externa (EQE) de 19,1%. Seu tempo de subida / decadência é de cerca de 1,62 / 4,70 ms. Este trabalho oferece uma nova estratégia para projetar fotodetectores controlados por comprimento de onda, ajustando suas composições.

Histórico

Recentemente, nanomateriais semicondutores foram amplamente estudados como dispositivos optoeletrônicos, como diodos emissores de luz [1, 2], dispositivos fotovoltaicos [3], célula solar [4, 5], eletrocatalítico H ₂ geração [6, 7] e fotodetectores [8,9,10]. CdS e CdSe são materiais semicondutores II – VI com o bandgap à temperatura ambiente de 2,42 e 1,74 eV, respectivamente. São considerados os melhores materiais para a fabricação de fotodetectores devido ao seu bandgap correspondente ao comprimento de onda de absorção na região da luz visível [11, 12].

Nanoestruturas unidimensionais, como nanofios [13], nanobelts [14] e nanotubos [15], têm sido usados em sensores e fotodetectores devido às suas altas proporções superfície-volume, propriedades físicas e propriedades químicas [16]. Entre eles, algumas nanoestruturas como ZnO [17], CdS [18], CdSe [19], MoS ₂ [20], Zn _x Cd _{1 - x} Se [21], CdS _{1 - x} Se _x [22], e Zn _x Cd _{1 - x} S [23] têm sido usados na fabricação de fotodetectores. Pan et al. relatou que o fotodetector baseado em CdS _0,49 Se _0,51 /CdS_0,91 Se _0,09 a heteroestrutura tem um bom desempenho [24]. No entanto, como desenvolver um detector de alta resposta e seletividade com excelente desempenho ainda é um desafio.

Neste trabalho, os nanobelts de CdSSe (NBs) foram sintetizados por evaporação térmica. Comprometemo-nos a fabricação e caracterização de dispositivo CdSSe único. Depois disso, as propriedades fotoelétricas de um único dispositivo CdSSe NB foram sistematicamente investigadas. Com base nisso, realizamos a catodoluminescência (CL) dos RNs CdSSe em temperatura ambiente e baixa temperatura e constatamos que o CL é sensível aos defeitos dos RNs CdSSe. Portanto, escolhemos nanoceltos com microestruturas perfeitas para projetar dispositivos por CL de forma que eles possam alcançar nossas propriedades desejadas.

Métodos

Preparação de Nanobelts CdSSe

CdSSe NBs de cristal único foram preparados por evaporação térmica. Para a síntese de CdSSe NBs, a mistura de pós de CdS puro (99,99% em peso) e pós de CdSe (9,99% em peso) pré-misturados na proporção de peso de 1:1 foi colocada em um barco de cerâmica. O barco de cerâmica foi colocado no meio do tubo de quartzo. Um substrato de silício revestido com filme de Au de cerca de 10 nm foi colocado no tubo; a distância do substrato de silício e do barco de cerâmica era de cerca de 5–7 cm. O forno foi aquecido a 820 ° C e foi então mantido por 2 h. Finalmente, o forno resfriou naturalmente à temperatura ambiente. Os nanobelts com diferentes composições foram depositados nas diferentes posições do substrato de Si. Em todo o experimento, o gás Ar foi lançado a 20 sccm e a pressão dentro do tubo foi mantida a 112 Torr.

Caracterização do material

A morfologia, estrutura e composição dos nanoceltos foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (SEM), difração de raios-X (XRD), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), microscopia eletrônica de alta resolução (HRTEM) e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS). Os espectros de PL foram medidos sob excitação de laser de 532 nm. Os espectros de CL dos RNs CdSSe foram medidos em temperatura ambiente e baixa temperatura por um sistema de catodoluminescência (CL) (Gatan monocle CL4) instalado em microscopia eletrônica de varredura (Quanta FEG 250).

Fabricação de dispositivo Nanobelt

Eletrodos de Ti / Au foram depositados nas duas extremidades de um único nanobelt disperso em substrato de Si com um SiO de 500 nm ₂ camada, e então, o dispositivo foi alcançado. O detalhado processo de fabricação dos dispositivos é referido na literatura [25]. A parte descoberta dos nanocintos foi exposta à luz incidente. A Figura 1 é o diagrama esquemático do teste do dispositivo.

Um diagrama esquemático da configuração do detector

Caracterização fotoelétrica

A medição do desempenho fotoelétrico dos nanoceltos foi realizada pelo sistema semicondutor Keithley 4200 e pelo espectrômetro monocromático. A fotocorrente do dispositivo foi medida alterando a luz incidente irradiada verticalmente no dispositivo, e I - V curvas foram realizadas por uma medição de duas sondas.

Resultados e discussão

A Figura 2a mostra uma imagem SEM dos CdSSe NBs preparados. Verifica-se que os RNs CdSSe apresentam boa morfologia e largura e comprimentos uniformes de até centenas de micrômetros. A Figura 2b é uma imagem SEM de alta ampliação dos nanoceltos CdSSe. Observa-se que a nano-cinta é fina e uniforme com 2,632 μm de largura. A Figura 2c e sua inserção apresentam a imagem de campo brilhante TEM e o padrão de difração de área selecionada (SAD) de um único nanocinto com uma largura de 2,94 μm e espessura inferior a 50 nm. O padrão SAD confirma a qualidade do cristal único e pode ser indexado a uma estrutura hexagonal com parâmetros de rede a =4,177 Å e c =6,776 Å. A imagem HRTEM correspondente é exibida na Fig. 2d, e o espaçamento da rede entre o plano adjacente é de 0,34 nm, correspondendo ao plano do cristal (110). Consequentemente, sua direção de crescimento é ao longo [110].

As imagens morfológicas dos RNs CdSSe. a SEM em baixa ampliação. b SEM em grande ampliação. c SAD, detalhe:seu TEM. d HRTEM

EDX e mapeamento dos nanoceltos CdSSe são mostrados na Fig. 3. Imagem SEM de uma amostra em múltiplos baixos é exibida na Fig. 3a. Observa-se que toda a região é coberta por nanocintos. A Figura 3b é a distribuição total de Cd, S e Se. Os mapeamentos dos elementos Cd, S e Se são representados na Fig. 3c – e, respectivamente. Ele revelou que Cd, S e Se estão uniformemente distribuídos em todos os nanocintos. O espectro de EDX coletado dos mesmos nanobelts é apresentado na Fig. 3f, indicando que o nanobelt é composto de elementos Cd, S e Se.

Imagem SEM e mapeamentos elementares de RNs CdSSe. a SEM. b – e Mapeamentos Cd, S e Se, respectivamente. f EDX

Os padrões XRD e XPS de CdSSe NBs são apresentados na Fig. 4. Todos os picos de difração podem ser indexados a uma estrutura hexagonal de CdS _0,76 Se _0,24 com parâmetros de rede a =4,177 Å e c =6,776 Å, que é consistente com o cartão padrão (JCPDS nº 49-1459). As posições dos picos de difração (2 θ =24,72 °, 26,35 °, 28,13 °, 36,42 °, 43,47 °, 47,5 °, 50,4 °, 51,4 ° e 52,4 °) combinados com o plano de cristal (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) e (201), respectivamente. Nenhuma outra impureza é detectada. Os picos de difração agudos e estreitos revelaram que os nanoceltos de CdSSe obtidos têm boa cristalinidade. A Figura 4b mostra as energias de ligação de Cd3d _5/2 e Cd3d _3/2 para os RNs CdSSe em 404,8 e 411,7 eV, respectivamente, que se aproximam dos valores reportados no trabalho anterior [26]. A distância de separação entre dois picos é de 6,9 eV, indicando que os átomos de Cd estão na fase CdS completa [27]. A deconvolução do pico S (2p) mostra dois picos Gaussianos, centrados em 160,7 e 165,1 eV na Fig. 4c. O espectro de elétrons de valência de Se (3d) está representado na Fig. 4d, na qual apenas um pico localizado em 53,5 eV foi observado. Portanto, os resultados de XPS confirmam que os nanoceltos são compostos de elementos Cd, S e Se.

Padrões de XRD e espectros de XPS dos NBs CdSSe. a XRD. b Espectro XPS de Cd sobreposto (3d). c Espectro XPS de alta resolução para S (2p). d Espectro XPS de alta resolução para Se (3d)

A Figura 5 é o espectro de fotoluminescência de nanoceltos de CdSSe; existem dois picos na faixa de 500–1000 nm. Um está centrado em 603 nm, originado da emissão de borda de banda próxima (NBE) dos nanocelts CdSSe. O outro centrado em ~ 950 nm pode estar relacionado à emissão de nível profundo, que é observada em ₂ Se ₃ e Ga ₂ Se ₃ [28, 29].

Os espectros de emissão PL de CdSSe NBs

Imagens SEM e CL do nanobelt de CdSSe único são descritas na Fig. 6a, b. Ele elucidou que a superfície dos nanocintos é plana e lisa e o brilho é heterogêneo ao longo de seu comprimento. A Figura 6c, d são os espectros de CL de resolução espacial do mesmo nanobelt à temperatura ambiente (295 K) e baixa temperatura (93 K). Ele destacou que as intensidades CL do NBE característico no CdSSe NB são diferentes de ponto a ponto, e sua relação sinal-ruído não é boa a 295 K, enquanto os CLs são fortes com intensidades diferentes de ponto a ponto a 93 K. Este resultado está de acordo com a imagem CL. Além disso, o pico característico está localizado a 625 nm, nenhuma emissão de defeito é observada e a intensidade a 93 K é cerca de 220 vezes mais forte do que a 295 K. Portanto, o CdSSe NB tem boas propriedades luminescentes a baixa temperatura.

Imagens SEM e CL de um único CdSSe NB. a SEM. b CL. c CL a 295 K. d CL em 93 K

A Figura 7a é a imagem SEM do nanodispositivo, que visualizou que o CdSSe NB não é uniforme em largura. As larguras do NB medido são 30,85 e 36 μm e o comprimento é 9,754 μm, conforme marcado na Fig. 7a. O eu - V as características do dispositivo CdSSe NB são exibidas na Fig. 7b em condições de escuridão e iluminação de luz branca com densidade de potência de 43,14 mW / cm ² . Como pode ser visto, a fotocorrente aumenta muito sob a irradiação de luz branca, pois a luz incidente produz pares elétron-buraco, melhorando assim a fotocorrente. A forma linear de I - V A curva indicou que bons contatos ôhmicos entre os eletrodos CdSSe NB e Ti / Au foram formados. A fotocorrente é 1,6 × 10 ⁻⁷ A, e a corrente escura é de cerca de 1,96 × 10 ⁻¹⁰ A. Portanto, a razão da fotocorrente para a corrente escura é 816. A Figura 7c é o I - V curva obtida depois de tomar o logaritmo e descobriu que a fotocorrente é maior em três ordens de magnitude do que sua corrente escura.

Imagem SEM e I - V curvas de um único detector CdSSe NB. a SEM. b eu - V curvas em condições de escuridão e iluminação de luz branca com densidade de potência de 43,14 mW / cm ² . c eu - V gráfico obtido após tomar o logaritmo

Para explorar ainda mais as propriedades fotoeletrônicas dos dispositivos, medimos a fotocorrente de um único dispositivo CdSSe NB, como mostrado na Fig. 8. Em uma tensão de polarização aplicada de 1 V, a resposta espectral do dispositivo na faixa de 600 a 800 nm é exibido na Fig. 8a. É visto que a resposta é muito forte quando o comprimento de onda é menor que 674 nm, e então se torna mais fraca e mais fraca quando o comprimento de onda é maior que 674 nm. A Figura 8b apresenta o I medido - V curva sob iluminação de 674 nm de luz com diferentes densidades de potência. Verifica-se que a fotocorrente aumenta com o aumento da densidade de potência, implicando que a eficiência do portador fotogerado é proporcional ao número de fótons absorvidos [30]. O gráfico logarítmico correspondente à Fig. 8b é destacado na Fig. 8c. Ele revelou que o dispositivo CdSSe NB tem a melhor resposta a uma densidade de potência de 6,11 mW / cm ² . A Figura 8d é a relação entre a fotocorrente e a densidade de potência óptica. Ajustando o valor da fotocorrente dependente da densidade de potência de I _p = AP ^θ , onde eu _p é a fotocorrente, P é a densidade de potência óptica, A é a constante dependente do comprimento de onda, o expoente θ determina a resposta da fotocorrente com potência [31], um bom ajuste dos resultados experimentais foi obtido com θ =0,69. Relatórios sobre um expoente não-unitário com 0,5 <θ <1 sugerem um processo complexo de geração de elétron-buraco, recombinação e aprisionamento dentro do material fotoativo [32], enquanto a dependência da intensidade com θ <0,5 pode surgir devido a mecanismos de defeito, incluindo centros de recombinação e armadilhas. Portanto, θ =0,69 significa que o nanobelt CdSSe não tem defeitos, o que está de acordo com o de HRTEM e CL.

As propriedades de fotorresposta do detector do detector CdSSe NB. a Fotorresposta espectral medida em uma polarização de 1 V. b eu - V curva no comprimento de onda de excitação de 674 nm, uma tensão de polarização de 1 V e diferentes densidades de potência. c O gráfico logarítmico de b . d A relação entre a fotocorrente e a densidade de potência óptica

É bem conhecido que a responsividade espectral ( R _λ ) e eficiência quântica externa (EQE) são parâmetros críticos para dispositivos ópticos, que podem ser definidos como R _λ = eu _ph / ( P _λ S ) e EQE = hcR _λ / ( qλ ), onde eu _ph é a diferença entre a fotocorrente e a corrente escura, P _λ é a densidade de energia da luz irradiada no nanobelt, S é a área iluminada efetiva, c é a velocidade da luz, h é a constante de Planck, q é a cobrança eletrônica e λ é o comprimento de onda excitante [33, 34]. Calculamos o R correspondente _λ e os valores EQE do dispositivo CdSSe NB são 10,4 A / W e 19,1%.

A Figura 9a mostra o tempo de resposta do detector CdSSe NB, que é medido ligando e desligando periodicamente a luz de 674 nm com uma intensidade de 4,87 mW / cm ² a uma tensão de polarização de 1 V. A partir disso, podemos ver que o dispositivo CdSSe NB exibe uma boa estabilidade reversível nas propriedades de chaveamento. A Figura 9b é o aumento da tensão e a borda de queda de uma resistência medida pelo osciloscópio. Reflete o tempo de subida da fotocondutância e o tempo de decaimento do CdSSe NB. Com e sem iluminação de luz de 674 nm (4,87 mW / cm ² ), a voltagem das mudanças resistentes varia. Vê-se que o tempo de subida / descida é de 1,62 / 4,70 ms, respectivamente. Comparamos parâmetros importantes de nosso fotodetector com os de outros com base em uma única nanobelt ou nanofolha (NS). Verifica-se que o R _λ do dispositivo CdSSe NB neste trabalho é maior do que o de outros fotodetectores nanoestruturados, como CdS [34] e ZnS NB [35], BiO ₂ Se [36], GaSe [37], SnS [38] e Bi ₂ S ₂ NS [39]. O tempo de decaimento é menor que o de ZnS NB [35] e GaSe NS [37], mas maior que o de outros [34, 36, 38, 39], conforme resumido na Tabela 1, confirmando assim a aplicação potencial do CdSSe NB para campo fotodetetivo.

Propriedades de tempo atual de fotodetector CdSSe NB único sobre iluminação de luz de 674 nm com 4,87 mW / cm ² densidade de potência sob 1 V bias. a eu - t características com comutação liga / desliga. b A subida e queda de tensão na borda de uma resposta de pulso

Conclusões

Em resumo, CdSSe NBs foram cultivados em um forno de alta temperatura por evaporação térmica. Os nanocintos obtidos foram caracterizados por vários métodos. Verifica-se que os NBs CdSSe possuem microestrutura perfeita sem defeitos e os nanocintos são compostos por elementos Cd, Se e S. Os resultados de CL revelaram que a intensidade de um único nanobelt de CdSSe em baixa temperatura (93 K) é mais forte do que em temperatura ambiente (295 K), e a relação de ruído de sinal é melhor em 93 K. Depois disso, desenvolvemos o fotodetector CdSSe baseado em um único NB e estudou suas propriedades optoeletrônicas. O detector obteve alto desempenho com responsividade de 10,4 A / W, tempo de aumento / decaimento de 1,62 / 4,70 ms e eficiência quântica externa (EQE) de 19,1% a 674 nm, que apresenta boa estabilidade e repetibilidade nas propriedades fotoeletrônicas. Este trabalho abre caminho para o desenvolvimento de fotodetectores visíveis de comprimento de onda contínuo, ajustando sua composição.

Abreviações

CL:: Catodoluminescência
EDX:: Raio-X de dispersão de energia
EQE:: Eficiência quântica externa
HRTEM:: Microscopia eletrônica de alta resolução
NB:: Nanobelt
NBE:: Quase na borda da banda
NS:: Nanosheet
PL:: Fotoluminescência
R _λ :: Responsividade
SAD:: Difração de área selecionada
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura (SEM)
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
XPS:: espectroscopia de fotoelétrons de raios-X
XRD:: Difração de raios X

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