Nanofilmes de Bi₂O₂Se Proporcionam Fotodetecção Excepcional no Infravermelho Próximo: Responsividade de 101 A/W, Resposta de 30 ms, Eficiência Quântica de 20.300%

Resumo

As propriedades fotoelétricas no infravermelho próximo (NIR) de nanofilmes multicamadas de Bi₂O₂Se foram estudadas sistematicamente neste artigo. Nanofilmes multicamadas de Bi₂O₂Se demonstram uma resposta fotossensível 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 × 10¹⁰ Jones). Estes resultados mostram que o dispositivo baseado em nanofilmes multicamadas de Bi₂O₂Se pode ter grande potencial para aplicações futuras em dispositivos optoeletrônicos NIR ultrafastos e altamente sensíveis.

Fundamentação

Fotodetectores infravermelhos (IR) têm sido amplamente investigados e estudados desde suas aplicações delicadas em domínios militar, comercial, público e acadêmico [1,2,3]. Na última década, materiais bidimensionais (2D), por exemplo, grafeno, dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) e fósforo preto, cresceram como candidatos promissores com grande potencial para aplicações infravermelhas [4,5,6,7,8,9]. Devido às propriedades intrigantes de materiais 2D, incluindo espessura ultrfina, alta flexibilidade mecânica, lacuna de banda adequada e ajustável, características optoeletrônicas ultrafastas e heteroestruturas de van der Waals facilmente adaptadas, materiais 2D em camadas têm sido considerados meios IR competitivos para fotodetectores de próxima geração [10,11,12].

Muito recentemente, o bismuto oxisseleneto em camadas (Bi₂O₂Se) foi descoberto como um semicondutor 2D promissor com alta mobilidade eletrônica, fotoresposta ultrarrápida, excelente estabilidade ambiental e fácil acesso à produção em larga escala via um método facilitado de deposição química de vapor (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] relataram sucessivamente que Bi₂O₂Se possuía excelentes propriedades fotoelétricas no infravermelho próximo (NIR). No entanto, eles se preocuparam principalmente com Bi₂O₂Se de camada fina (espessura ~ 7 nm). Estudos prévios com relação a outros materiais 2D, como MoS₂ [16] e MoSe₂ [17, 18], mostraram que nanoflocos multicamadas também possuíam um desempenho fotoelétrico extraordinário comparado com monocamada ou camada fina. De fato, Bi₂O₂Se multicamadas pode ser mais atraente que Bi₂O₂Se de camada fina para aplicações FET na configuração de transistor de filme fino (TFT) [16, 19]. Por exemplo, a densidade de estados em Bi₂O₂Se multicamadas é muito maior que em Bi₂O₂Se de camada fina, o que pode produzir correntes de acionamento consideravelmente altas no limite balístico [13, 14]. Em TFTs de canal longo, múltiplos canais condutores podem ser criados por efeitos de campo em Bi₂O₂Se multicamadas, o que pode aumentar a corrente de acionamento de TFTs, similar a MOSFETs de silício sobre isolante [19]. Além disso, Bi₂O₂Se multicamadas oferece uma resposta espectral mais ampla que Bi₂O₂Se de camada fina, devido à sua lacuna de banda mais estreita, o que pode ser vantajoso em uma variedade de aplicações de fotodetectores [20]. No entanto, fotodetectores baseados em Bi₂O₂Se multicamadas não foram extensivamente estudados para uso em eletrônica ou optoeletrônica.

Portanto, as propriedades fotoelétricas NIR de Bi₂O₂Se multicamadas (espessura ~ 30 nm) foram estudadas sistematicamente neste artigo. Fotodetectores baseados em Bi₂O₂Se multicamadas demonstram uma resposta fotossensível ultra-sensível de 850 a 1550 nm com boa reprodutibilidade à temperatura ambiente. Sua fotorresponsividade atinge 101 A/W a 1000 nm, junto com um tempo de subida rápido e tempo de decaimento de 30 ms e 60 ms, respectivamente. Comparado com Bi₂O₂Se de camada fina, Bi₂O₂Se multicamadas tem maior fotorresponsividade e eficiência quântica externa, enquanto ainda mantém um tempo de resposta relativamente rápido e alta taxa de detecção. Além disso, a fotocorrente exibe uma dependência linear na potência incidente, oferecendo boa capacidade de ajuste para aplicações multiuso. Estes resultados oferecem oportunidades para desenvolver a próxima geração de fotodetectores NIR de ultra-alta sensibilidade e alto desempenho à temperatura ambiente.

Métodos

Crescimento e Caracterização de Bi₂O₂Se

Os nanofilmes de Bi₂O₂Se foram sintetizados via método de deposição química de vapor (CVD). Bi₂O₃ e Bi₂Se₃ (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 primeiro aquecido a 640 °C com taxa de elevação de 30 °C min⁻¹ e mantido por 60 min com fluxo de gás argônio. Finalmente, o forno foi resfriado até a temperatura ambiente naturalmente. As amostras sintetizadas foram caracterizadas por microscópio óptico (Olympus BX51), espectro Raman (WiTec 300R), microscópio de força atômica (modo semi-contato, empresa NT-MDT) microscópio eletrônico de varredura (empresa FEI). Aqui, alumínio de 10 nm foi primeiro evaporado termicamente para evitar efeito de carga do substrato de mica antes da caracterização SEM.

Fabricação do Dispositivo

O fotodetector baseado em Bi₂O₂Se multicamadas foi fabricado por uma tecnologia padrão de micro-nano. Os contatos de fonte e dreno foram definidos por litografia de feixe de elétrons e seguidos pela deposição de uma pilha metálica de 5 nm Cr/50 nm Au aplicando evaporação de feixe de elétrons. Note que, para prevenir acúmulo de carga no substrato de mica durante o processo EBL, polímero condutor fotorresistente (SX AR-PC-5000) foi revestido por rotação na mica antes do processo EBL. Finalmente, o dispositivo foi ligado no carrier de chip para medição fotoelétrica adicional.

Medição de Desempenho

As medições de fotocorrente foram realizadas por uma plataforma de foto-detecção de lâmpada de xênon 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 dreno nos estados ligado/desligado foram coletadas. A resposta fotoelétrica do dispositivo em diferentes comprimentos de onda (850–1550 nm) pôde ser obtida substituindo diferentes filtros.

Resultados e Discussão

Como a Fig. 1a ilustra, o Bi₂O₂Se em camadas mostra uma estrutura tetragonal com grupo espacial I4/mmm, e consiste de camadas de óxido covalentemente ligadas planarmente (Bi₂O₂) intercaladas por arranjos quadrados de Se com interações eletrostáticas relativamente fracas [21]. Este tipo de estrutura é similar à mica. Portanto, nanofilmes 2D de Bi₂O₂Se 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 nanofilmes de Bi₂O₂Se multicamadas crescidos na mica. Vê-se claramente que os nanofilmes são uniformes e apresentam formas quase retangulares. Imagens de microscópio de força atômica (AFM) de nanofilmes de Bi₂O₂Se em nosso experimento são mostradas na Fig. 1c. De acordo com a espessura teórica de monocamada (≈ 0,61 nm) [14, 15], 30 nm (Fig. 1d) equivale à espessura de cerca de 49 camadas. A Figura 1e mostra os padrões XRD de nanofilmes de Bi₂O₂Se. Picos discerníveis são todos atribuídos a planos de difração (00l) de Bi₂O₂Se (a orientação cristalina é ao longo do eixo c), consistente com estudos prévios [14]. O pico característico A_1g de Bi₂O₂Se pode ser encontrado em ≈ 159,1 cm⁻¹ no espectro Raman (Fig. 1f), que está em boa consistência com relatórios anteriores [22]. A Figura 1g mostra a curva I-V típica do dispositivo de Bi₂O₂Se. A excelente curva I-V linear indica que contatos ôhmicos são formados. Além disso, o fotodetector baseado em Bi₂O₂Se 2D demonstra uma excelente estabilidade ambiental, que é uma métrica chave para aplicações práticas futuras [14, 15]. Da Fig. 1h, o comprimento e largura medidos do dispositivo são 29 µm e 91 µm, respectivamente.

Como a Fig. 2a mostra, a resposta fotoelétrica do fotodetector baseado em Bi₂O₂Se multicamadas ao NIR foi deliberadamente medida. Aqui, discutimos principalmente o desempenho do dispositivo na banda de telecomunicações (1550 nm), que é amplamente aplicada em domínios militar, comercial, público e acadêmico. Pode-se ver na Fig. 2b que I_DS cresce obviamente à medida que a intensidade da luz aumenta. Além disso, a curva I-V do dispositivo sob iluminação não demonstra tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito aparentes. Este fato indica que a barreira de Schottky formada entre o eletrodo e o material não desempenha um papel fundamental na característica de transporte do dispositivo. Portanto, a resposta fotoelétrica do material deve vir principalmente do efeito fotocondutivo [10].

Para avaliar o desempenho dos fotodetectores, fotorresponsividade (R), eficiência quântica externa (η) e detectividade (D*) são parâmetros críticos que podem ser calculados pelas seguintes fórmulas [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 I_ph é a fotocorrente (a diferença da corrente de dreno entre estados iluminado (I_i) e escuro (I_d)), 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 a principal contribuinte para o ruído de tiro, assim deduzimos à equação (3) [7]. Esta simplificação tem sido usada para avaliar a fotoresposta de materiais 2D em camadas, como grafeno [23] e WSe₂ [24].

Como pode ser visto na Fig. 2c, o dispositivo tem uma fotoresposta muito estável e repetível à luz de 1550 nm após vários ciclos. Seu tempo de resposta é extremamente rápido e pode atingir 30 ms na subida e 60 ms no decaimento, respectivamente. Isso se deve ao fato de que nanofilmes de Bi₂O₂Se ultrfinos crescidos não têm estados de armadilha de superfície e níveis de energia de defeitos 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 Bi₂O₂Se pelo ajuste dos dados experimentais, sugerindo que a fotocorrente é principalmente determinada pelas quantidades de fótons absorvidos [7]. A fotorresponsividade de fotodetectores baseados em Bi₂O₂Se multicamadas é de cerca de 68 A/W, que exibe um desempenho extremamente alto como fotodetector.

Em seguida, o desempenho de resposta fotoelétrica do fotodetector baseado em Bi₂O₂Se multicamadas aos comprimentos de onda NIR (850–1550 nm) foi estudado sistematicamente. De acordo com o cálculo pelas fórmulas declaradas (1)–(3), a fotorresponsividade, eficiência quântica externa e detectividade são demonstradas na Fig. 3. Pode-se encontrar que o dispositivo tem uma fotorresponsividade muito alta para a banda NIR, que atinge 101 A/W (900 nm). Além disso, o fotodetector baseado em Bi₂O₂Se multicamadas possui um η ultra-alto, que excede 20.000% a 850 nm, indicando sua excelente capacidade de conversão fotoelétrica. Sua taxa de detecção pode atingir 1,9 × 10¹⁰ a 900 nm, mostrando uma razão 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* (como função do comprimento de onda incidente) é similar à tendência de R. Obviamente, comparado com Bi₂O₂Se de camada fina relatada por Ref. [7] e Ref. [8], Bi₂O₂Se multicamadas tem maior responsividade fotoelétrica e eficiência quântica externa (viés de tensão fonte-dreno, 1 V, que é o mesmo que Ref. [7] e Ref. [8]), enquanto ainda mantém um tempo de resposta relativamente rápido e alta taxa de detecção. Notavelmente, Ref. [8] apenas relatou o tempo de resposta intrínseco (1 ps) do material pela técnica pump-probe mas sem tempo de resposta do dispositivo de fotodetectores de Bi₂O₂Se [8].

Em geral, materiais 2D em camadas ainda não mostraram tal alta sensibilidade na faixa de detecção NIR. Por exemplo, dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) geralmente têm lacunas de banda muito grandes para detectar luz IR [17], enquanto para grafeno, mostra fotoresposta de alta velocidade mas sensibilidade intrínseca muito baixa menor que dezenas de mA/W [25]. Embora a fotorresponsividade possa ser melhorada pela fabricação de heteroestruturas atômicas [26,27,28], ainda não performa perfeitamente na detecção NIR. Comparado com outros materiais 2D (Tabela 1), o fotodetector baseado em Bi₂O₂Se multicamadas mostra um desempenho fotoelétrico mais excelente, especialmente um alto R e um alto η. Notavelmente, se a gravação química foi aplicada para otimizar a geometria de nanofilmes de Bi₂O₂Se multicamadas [15], o desempenho do dispositivo pode ser ainda mais aprimorado.

O processo físico de fotoresposta de fotodetectores baseados em Bi₂O₂Se pode ser explicado por um diagrama simples de banda de energia (Fig. 4a). Sem iluminação e sem aplicar viés 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-buraco, que podem ser extraídos aplicando um viés dreno-fonte [29,30,31]. Como a barreira de Schottky no contato Bi₂O₂Se-metal é muito baixa, os portadores de carga fotogerados poderiam passar facilmente a barreira [16,17,18]. Portanto, o fotodetector baseado em Bi₂O₂Se multicamadas exibiu um excelente desempenho fotoelétrico.

Importante, o mecanismo de desempenho fotoelétrico aprimorado deve ser discutido. Teoricamente, a adsorção óptica de Bi₂O₂Se multicamadas é maior que a de Bi₂O₂Se de camada fina, o que pode induzir fotocorrentes I_ph mais altas [14, 20]. A potência incidente P(x) como função da distância x pode ser expressa como P(x) = P_in·e^−α·x, onde α é o coeficiente de absorção dos nanofilmes de Bi₂O₂Se na energia do fóton incidente. A quantidade de potência absorvida por uma laje de Bi₂O₂Se com espessura Δx a uma distância x da superfície é dR_a = − (dP/dx)·Δx. Então, a potência total absorvida pelo filme de Bi₂O₂Se de espessura d é R_a = P_in·(1 − e^−α·d). Para α·d << 1, a potência absorvida pode ser escrita como R_a = P_in·α·d [16, 19]. Aqui, a espessura d em nosso experimento é 5 vezes e 3 vezes de Ref. [7] e Ref. [8], respectivamente. De fato, nanofilmes de Bi₂O₂Se multicamadas em nosso trabalho teriam um R melhor. No entanto, embora com o aumento da adsorção óptica, Bi₂O₂Se multicamadas têm alguns inconvenientes, como uma densidade de estados (DOS) mais alta, causando mais estados de lacuna média comparado com monocamada (ou camada fina) [13, 14]. Como a Fig. 4b mostra, quando o dispositivo muda de "estado ligado" para "estado desligado", os elétrons excitados em bandas mais altas de Bi₂O₂Se multicamadas primeiro transitam para os estados de lacuna média, e então retornam à banda fundamental [16, 17, 19]. Em outras palavras, o tempo de vida do portador τ inevitavelmente inclinará. A mesma situação surgirá quando o dispositivo muda de "estado desligado" para "estado ligado". Curiosamente, comparado com trabalhos anteriores, nanofilmes de Bi₂O₂Se multicamadas ainda têm um tempo de resposta rápido, que é satisfeito em muitas aplicações [1,2,3]. Isso significa que a existência de estados de lacuna média pode não ser prejudicial ao desempenho dinâmico de nanofilmes de Bi₂O₂Se. Por fim, para o η grandemente aprimorado, duas razões principais desempenham papéis fundamentais. Primeiro, as camadas aumentadas melhoram a absorbância de fótons incidentes. Além disso, a existência de estados de lacuna média permite mais canais de transição para elétrons excitados. Assim, η aumenta significativamente [16, 19].

Conclusões

Em resumo, apresentamos as propriedades fotoelétricas de fotodetector baseado em Bi₂O₂Se multicamadas (espessura ~ 30 nm). Bi₂O₂Se multicamadas demonstra uma resposta fotossensível ultra-sensível de 850 a 1550 nm com boa reprodutibilidade à temperatura ambiente, incluindo uma alta fotorresponsividade, um tempo de resposta rápido, uma alta eficiência quântica externa e uma alta taxa de detecção. Os resultados indicam que Bi₂O₂Se multicamadas tem uma resposta fotossensível relativamente melhor que a de camada fina.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

NIR:

Infravermelho próximo

IR:

Infravermelho

TFT:

Transistor de filme fino

AFM:

Microscópio de força atômica

SEM:

Microscópio eletrônico de varredura

CVD:

Deposição química de vapor

TMDs:

Dicalcogenetos de metais de transição