Fotodetector Seletivo de Comprimento de Onda de Alto Desempenho Usando uma Única Nanofita de CdSSe

Resumo

Nanofitas (NFs) de CdSSe são sintetizadas por evaporação térmica e caracterizadas 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 as NFs de CdSSe têm boa morfologia e microestrutura sem defeitos. CL é sensível aos defeitos das NFs de CdSSe; assim, podemos selecionar nanofita única com emissão CL homogênea para preparar detector. Baseado nisso, o fotodetector de única nanofita de CdSSe foi desenvolvido e suas propriedades fotoelétricas investigadas em detalhe. Verifica-se que sob iluminação de luz branca e tensão de bias de 1 V, a fotocorrente de dispositivo de única nanofita de CdSSe é 1,60 × 10⁻⁷ A, a corrente escura é 1,96 × 10⁻¹⁰ A, e a razão entre corrente de luz e escura é 816. Além disso, o detector de nanofita de CdSSe tem alto desempenho fotoelétrico com responsividade espectral de 10,4 A W⁻¹ e eficiência quântica externa (EQE) de 19,1%. Seu tempo de subida/decay é cerca de 1,62/4,70 ms. Este trabalho oferece nova estratégia para projeto de fotodetectores controlados por comprimento de onda ajustando suas composições.

Introdução

Recentemente, nanomateriais semicondutores têm sido amplamente estudados como dispositivos optoeletrônicos, como diodos emissores de luz [1, 2], dispositivos fotovoltaicos [3], célula solar [4, 5], geração eletrocatalítica de H₂ [6, 7], e fotodetectores [8,9,10]. CdS e CdSe são materiais semicondutores II-VI com banda proibida à temperatura ambiente de 2,42 e 1,74 eV, respectivamente. São considerados melhores materiais para fabricação de fotodetectores devido à sua banda proibida correspondente ao comprimento de onda de absorção na região de luz visível [11, 12].

Nanoestruturas unidimensionais como nanofios [13], nanofitas [14] e nanotubos [15] têm sido usadas em sensores e fotodetectores devido às suas altas razões superfície-volume, propriedades físicas e químicas [16]. Entre eles, algumas nanoestruturas como ZnO [17], CdS [18], CdSe [19], MoS₂ [20], Zn_xCd_1−xSe [21], CdS_1−xSe_x [22], e Zn_xCd_1−xS [23] têm sido usadas na fabricação de fotodetectores. Pan et al. relataram que fotodetector baseado em heteroestrutura CdS_0,49Se_0,51/CdS_0,91Se_0,09 tem bom desempenho [24]. No entanto, como desenvolver detector de alta resposta e seletividade com excelente desempenho ainda é desafio.

Neste trabalho, nanofitas (NFs) de CdSSe foram sintetizadas por evaporação térmica. Realizamos fabricação e caracterização de dispositivo de CdSSe único. Depois, propriedades fotoelétricas de dispositivo de única NF de CdSSe foram sistematicamente investigadas. Baseado nisso, realizamos catodoluminescência (CL) de NF de CdSSe à temperatura ambiente e baixa temperatura e descobrimos que CL é sensível aos defeitos das NFs de CdSSe. Portanto, escolhemos nanofitas com microestruturas perfeitas para projetar dispositivos por CL para que possam alcançar nossas propriedades desejadas.

Métodos

Preparação de Nanofitas de CdSSe

NFs de CdSSe monocristalinas foram preparadas por evaporação térmica. Para síntese de NFs de CdSSe, mistura de pós puros de CdS (99,99% p/p) e CdSe (9,99% p/p) pré-misturados na razão de peso 1:1 foi colocada em barco cerâmico. Barco cerâmico colocado no meio do tubo de quartzo. Substrato de silício revestido com cerca de 10 nm de filme Au foi colocado no tubo; distância do substrato de silício e barco cerâmico cerca de 5–7 cm. Forno aquecido a 820 °C e mantido por 2 h. Finalmente, forno resfriou naturalmente à temperatura ambiente. Nanofitas com diferentes composições foram depositadas em diferentes posições do substrato Si. Em todo experimento, gás Ar fluiu a 20 sccm, e pressão dentro do tubo mantida a 112 Torr.

Caracterização de Material

Morfologia, estrutura e composição das nanofitas 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). Espectros PL medidos sob excitação a laser 532 nm. Espectros CL de NFs de CdSSe medidos à temperatura ambiente e baixa temperatura por sistema de catodoluminescência (CL) (Gatan monocle CL4) instalado em microscopia eletrônica de varredura (Quanta FEG 250).

Fabricação de Dispositivo de Nanofita

Eletrodos Ti/Au foram depositados nas duas extremidades de uma única nanofita dispersa em substrato Si com camada de SiO₂ de 500 nm de espessura, e então dispositivo foi obtido. Processo de fabricação detalhado dos dispositivos referido na literatura [25]. Parte não coberta das nanofitas exposta à luz incidente. Figura 1 é diagrama esquemático do teste do dispositivo.

Caracterização Fotoelétrica

Medição do desempenho fotoelétrico das nanofitas realizada por sistema semicondutor Keithley 4200 e espectrômetro monocromático. Fotocorrente do dispositivo medida alterando luz incidente irradiada verticalmente no dispositivo, e curvas I–V realizadas por medição de duas pontas.

Resultados e Discussão

Figura 2a mostra imagem SEM das NFs de CdSSe como preparadas. Verifica-se que NFs de CdSSe têm boa morfologia e largura uniforme e comprimentos até centenas de micrômetros. Figura 2b é imagem SEM de alta ampliação das nanofitas de CdSSe. Observa-se que a nanofita é fina e uniforme com 2,632 µm de largura. Figura 2c e seu inseto apresentam imagem de campo claro TEM e padrão de difração de área selecionada (SAD) de uma única nanofita com largura de 2,94 µm e espessura menor que 50 nm. Padrão SAD confirma qualidade monocristalina, e pode ser indexado a estrutura hexagonal com parâmetros de rede a = 4,177 Å e c = 6,776 Å. Imagem HRTEM correspondente exibida na Fig. 2d, e espaçamento de rede entre planos adjacentes é 0,34 nm, correspondendo ao plano cristalino (110). Consequentemente, sua direção de crescimento é ao longo de [110].

EDX e mapeamento das nanofitas de CdSSe mostrados na Fig. 3. Imagem SEM de amostra em baixos múltiplos exibida na Fig. 3a. Observa-se que região inteira coberta com nanofitas. Figura 3b é distribuições totais de Cd, S e Se. Mapeamentos de elementos Cd, S e Se representados na Fig. 3c–e, respectivamente. Revelou que Cd, S e Se são uniformemente distribuídos em todas as nanofitas. Espectro EDX coletado das mesmas nanofitas apresentado na Fig. 3f, indicando que nanofita é composta de elementos Cd, S e Se.

Padrões XRD e XPS de NFs de CdSSe apresentados na Fig. 4. Todos picos de difração podem ser indexados a estrutura hexagonal de CdS_0,76Se_0,24 com parâmetros de rede a = 4,177 Å e c = 6,776 Å, consistente com cartão padrão (JCPDS no. 49-1459). Posições dos picos de difração (2θ = 24,72°, 26,35°, 28,13°, 36,42°, 43,47°, 47,5°, 50,4°, 51,4° e 52,4°) correspondem aos planos cristalinos (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) e (201), respectivamente. Nenhuma outra impureza detectada. Picos de difração agudos e estreitos revelaram que NFs de CdSSe obtidas têm boa cristalinidade. Figura 4b mostra energias de ligação de Cd3d_5/2 e Cd3d_3/2 para NFs de CdSSe a 404,8 e 411,7 eV, respectivamente, próximos aos valores relatados em trabalho prévio [26]. Distância de separação entre dois picos é 6,9 eV, indicando que átomos Cd estão em fase CdS completa [27]. Desconvolução do pico S(2p) mostra dois picos gaussianos, centrados a 160,7 e 165,1 eV na Fig. 4c. Espectros de elétrons de valência de Se(3d) representado na Fig. 4d, no qual apenas um pico localizado a 53,5 eV observado. Portanto, resultados XPS confirmam que nanofitas são compostas de elementos Cd, S e Se.

Figura 5 é espectro de fotoluminescência de nanofitas de CdSSe; há dois picos na faixa de 500–1000 nm. Um centrado a 603 nm originado da emissão de borda de banda próxima (NBE) das nanofitas de CdSSe. O outro centrado a ~950 nm pode estar relacionado a emissão de nível profundo, observada em In₂Se₃ e Ga₂Se₃ [28, 29].

Imagens SEM e CL de única nanofita de CdSSe descritas na Fig. 6a, b. Elucidou que superfície das nanofitas é plana e lisa e brilho é heterogêneo ao longo de seu comprimento. Figura 6c, d é espectros CL de resolução espacial da mesma nanofita à temperatura ambiente (295 K) e baixa temperatura (93 K). Destacou que intensidades CL do NBE característico em NF de CdSSe são diferentes ponto a ponto, e sua razão sinal-ruído não é boa a 295 K, enquanto CLs são fortes com diferentes intensidades ponto a ponto a 93 K. Este resultado está em bom acordo com imagem CL. Além disso, pico característico localizado a 625 nm, nenhuma emissão de defeito observada, e intensidade a 93 K é cerca de 220 vezes mais forte que a 295 K. Portanto, NF de CdSSe tem boas propriedades luminescentes a baixa temperatura.

Figura 7a é imagem SEM do nanodispositivo, que visualizou que NF de CdSSe não é uniforme em largura. Larguras da NF medida são 30,85 e 36 µm e comprimento é 9,754 µm, como marcado na Fig. 7a. Características I–V do dispositivo de NF de CdSSe exibidas na Fig. 7b sob condições escuras e iluminação de luz branca com densidade de potência 43,14 mW/cm². Como visto, fotocorrente aumenta grandemente sob irradiação de luz branca, porque luz incidente produz pares elétron-buraco, melhorando fotocorrente. Forma linear da curva I–V indicou que bons contatos ôhmicos entre NF de CdSSe e eletrodos Ti/Au foram formados. Fotocorrente é 1,6 × 10⁻⁷ A, e corrente escura cerca de 1,96 × 10⁻¹⁰ A. Portanto, razão de fotocorrente para corrente escura é 816. Figura 7c é curva I–V obtida após tomar logaritmo e encontrou que fotocorrente é maior por três ordens de magnitude que sua corrente escura.

Para explorar mais propriedades fotoeletrônicas dos dispositivos, medimos fotocorrente de dispositivo de única NF de CdSSe, como mostrado na Fig. 8. Em tensão de bias aplicada de 1 V, resposta espectral do dispositivo na faixa de 600 a 800 nm exibida na Fig. 8a. Vê-se que resposta é muito forte quando comprimento de onda menor que 674 nm, e então torna-se mais fraco quando comprimento de onda maior que 674 nm. Figura 8b apresenta curva I–V medida sob iluminação de luz 674 nm com diferentes densidades de potência. Encontra-se que fotocorrente aumenta com aumento de densidade de potência, implicando que eficiência de portadores fotogerados é proporcional ao número de fótons absorvidos [30]. Gráfico logarítmico correspondente à Fig. 8b destacado na Fig. 8c. Revelou que dispositivo de NF de CdSSe tem melhor resposta em densidade de potência de 6,11 mW/cm². Figura 8d é relação entre fotocorrente e densidade de potência óptica. Ajustando valor de fotocorrente dependente de densidade de potência I_p = A P^θ, onde I_p é fotocorrente, P é densidade de potência óptica, A é constante dependente de comprimento de onda, expoente θ determina resposta de fotocorrente com potência [31], bom ajuste dos resultados experimentais obtido com θ = 0,69. Relatos sobre expoente não-unidade com 0,5 < θ < 1 sugerem processo complexo de geração, recombinação e aprisionamento de elétron-buraco dentro do material fotoativo [32], enquanto dependência de intensidade com θ < 0,5 pode surgir devido a mecanismos de defeito, incluindo tanto centros de recombinação quanto armadilhas. Portanto, θ = 0,69 significa que nanofita de CdSSe não tem defeitos, de acordo com HRTEM e CL.

É bem conhecido que responsividade espectral (R_λ) e eficiência quântica externa (EQE) são parâmetros críticos para dispositivos ópticos, que podem ser definidos como R_λ = I_ph/(P_λS) e EQE = hcR_λ/(qλ), onde I_ph é diferença entre fotocorrente e corrente escura, P_λ é densidade de potência de luz irradiada na nanofita, S é área efetiva iluminada, c é velocidade da luz, h é constante de Planck, q é carga eletrônica, e λ é comprimento de onda de excitação [33, 34]. Calculamos os correspondentes valores de R_λ e EQE do dispositivo de NF de CdSSe como 10,4 A/W e 19,1%.

Figura 9a mostra resposta temporal do detector de NF de CdSSe, medida ligando e desligando periodicamente luz 674 nm com intensidade 4,87 mW/cm² em tensão de bias 1 V. A partir disso, vemos que dispositivo de NF de CdSSe exibe boa estabilidade reversível em propriedades de comutação. Figura 9b é borda de subida e decaimento de tensão de um resistor medido por osciloscópio. Reflete tempo de subida e decaimento de fotocondutância de NF de CdSSe. Com e sem iluminação de luz 674 nm (4,87 mW/cm²), tensão do resistor muda varia. Vê-se que tempo de subida/decay é 1,62/4,70 ms, respectivamente. Comparamos parâmetros importantes de nosso fotodetector com os de outros baseados em única nanofita ou nanolâmina (NS). Encontra-se que R_λ do dispositivo de NF de CdSSe neste trabalho é maior que o de outros fotodetectores de nanoestrutura como CdS [34] e ZnS NF [35], BiO₂Se [36], GaSe [37], SnS [38], e Bi₂S₂ NS [39]. Tempo de decaimento é menor que o de ZnS NF [35] e GaSe NS [37], mas maior que o de outros [34, 36, 38, 39], como resumido na Tabela 1, confirmando potencial aplicação de NF de CdSSe para campo fotodetector.

Conclusões

Em resumo, NFs de CdSSe foram crescidas em forno de alta temperatura por evaporação térmica. Nanofitas obtidas caracterizadas por vários métodos. Verifica-se que NFs de CdSSe têm microestrutura perfeita sem defeitos e nanofitas são compostas de Cd, Se e S. Resultados CL revelaram que intensidade de única nanofita de CdSSe a baixa temperatura (93 K) é mais forte que a à temperatura ambiente (295 K), e razão sinal-ruído é melhor a 93 K. Depois, desenvolvemos fotodetector de CdSSe baseado em única NF e estudamos suas propriedades optoeletrônicas. Detetor alcançou alto desempenho com responsividade de 10,4 A/W, tempo de subida/decay de 1,62/4,70 ms, e eficiência quântica externa (EQE) de 19,1% a 674 nm, que tem boa estabilidade e repetibilidade nas propriedades fotoeletrônicas. Este trabalho pavimenta caminho para desenvolvimento de fotodetector visível de comprimento de onda contínuo ajustando sua composição.

Abreviações

CL

Catodoluminescência

EDX

Raio-X dispersivo em energia

EQE

Eficiência quântica externa

HRTEM

Microscopia eletrônica de alta resolução

NF

Nanofita

NBE

Borda de banda próxima

NS

Nanolâmina

PL

Fotoluminescência

R_λ

Responsividade

SAD

Difração de área selecionada

SEM

Microscopia eletrônica de varredura

TEM

Microscopia eletrônica de transmissão

XPS

Espectroscopia de fotoelétrons de raios-X

XRD

Difração de raios-X