Fotodetectores ZnO UV modificados por nanopartículas de Ag usando impressão totalmente a jato de tinta

Resumo

Para melhorar ainda mais o desempenho do fotodetector ZnO UV de impressão a jato de tinta e manter as vantagens da tecnologia de impressão a jato de tinta, as nanopartículas de Ag de impressão a jato de tinta (NPs) foram depositadas no fotodetector ZnO UV de impressão a jato de tinta pela primeira vez. A impressão a jato de tinta Ag NPs pode passivar os defeitos de superfície de ZnO e funcionar como plasmons de superfície a partir da caracterização de fotoluminescência (PL), espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) e simulação do método de diferença finita no domínio do tempo (FDTD). A detectividade normalizada ( D ^* ) do detector Ag NP modificado atinge 1,45 × 10 ¹⁰ Jones com potência de luz incidente de 0,715 mW, que é maior do que 5,72 × 10 ⁹ Jones do fotodetector ZnO nu. A relação de lei de potência entre a fotocorrente e a potência da luz incidente do detector de ZnO modificado com NP Ag é I _pc ∝ P ^2,34 , o que significa que a fotocorrente é altamente sensível à mudança da potência da luz incidente.

Introdução

ZnO é o material promissor para fabricar diodos emissores de luz ultravioleta (UV-LED), diodos de laser (LD), transistores de filme fino transparente (TFTs) e outros dispositivos que podem ser usados em fotônica, eletrônica, acústica e detecção [1 , 2,3,4,5,6]. Fabricar detector de UV é uma das aplicações importantes do ZnO, pois os fotodetectores de UV são muito solicitados em vários campos e o largo bandgap direto do ZnO é de 3,37 eV, o que corresponde ao comprimento de onda do UV de cerca de 365 nm [7]. Os processos de fabricação de dispositivos convencionais baseados em ZnO são caros e demorados, porque eles contêm fotolitografia e processo de crescimento baseado em deposição a vácuo, como MBE, deposição química de vapor (CVD) e pulverização catódica de magnetron [8,9,10,11] . Uma solução barata tem sido adotada pelo método de deposição sol-gel, pois o método não necessita de equipamentos caros [12, 13]. No entanto, o método de deposição sol-gel também precisa do progresso da fotolitografia para atender aos requisitos de aplicação do dispositivo, o que consumirá muito tempo. Para resolver os problemas acima, o método de impressão a jato de tinta é induzido a fabricar dispositivos baseados em ZnO. O método de impressão a jato de tinta é considerado mais econômico e prático. Além disso, muito tempo será economizado porque o processo de fotolitografia não é necessário durante o processo de fabricação do dispositivo usando o método de impressão a jato de tinta [14], que é adequado para aplicação industrial em larga escala. O filme de ZnO para impressão a jato de tinta e nanocristal foram realizados por um longo tempo, e as pesquisas anteriores para obter material de ZnO por impressão a jato de tinta podem ser rastreadas antes da última década [15]. O conceito de fotodetectores flexíveis totalmente impressos a jato de tinta com base em material ZnO foi adotado em 2017 [13]. Embora os pesquisadores tenham obtido com sucesso o fotodetector UV ZnO flexível pelo método de impressão a jato de tinta, cujo comprimento de onda de resposta é de 365 nm [13, 16], a pesquisa de filme fino de ZnO para impressão a jato de tinta como camada ativa em substratos flexíveis também carece de estudo. Para melhorar ainda mais o desempenho da impressão a jato de tinta, o fotodetector ZnO UV ainda é um problema difícil. Muitas pesquisas têm investigado os fotodetectores modificados por NPs metálicos para melhorar o desempenho [17,18,19,20,21]. No entanto, nenhum deles fabricou fotodetectores ZnO modificados com NP metálicos pelo método de impressão a jato de tinta e as vantagens da impressão a jato de tinta não podem ser totalmente utilizadas.

Neste trabalho, é a primeira vez para fabricar fotodetectores de ZnO UV modificados por nanopartículas de Ag (NP) por impressão a jato de tinta totalmente para melhorar o desempenho do fotodetector de UV baseado em ZnO. As Ag NPs de impressão a jato de tinta são analisadas para desempenhar um papel na passivação dos defeitos de superfície dos materiais ZnO, o que diminuirá a corrente escura e o tempo de decaimento do fotodetector. Por outro lado, os Ag NPs também podem funcionar como plasmon de superfície, o que é benéfico para aumentar a fotocorrente do fotodetector. Assim, o desempenho do fotodetector ZnO UV totalmente com impressão a jato de tinta modificado com Ag NPs será melhorado.

Métodos e Experimentos

O diagrama esquemático do fotodetector ZnO UV é mostrado na Fig. 3a, incluindo o filme fino de ZnO de impressão a jato de tinta em substrato de poliimida (PI), eletrodos de prata de impressão a jato de tinta e as nanopartículas de prata fabricadas por tinta de prata comercial. O substrato de poliimida (PI) foi limpo sucessivamente em água desionizada, acetona e isopropanol (IPA) por 15 min com ultrassom. O gráfico inserido da Fig. 3a é uma imagem óptica do fotodetector UV fabricado por flexão. A tinta de óxido de zinco foi preparada dissolvendo óxido de zinco nanopó (Aladdin) em N-metil pirrolidona (Titan) e, em seguida, agitando magneticamente durante 6 h. Em seguida, a tinta foi filtrada por filtro de politetrafluoroetileno (PTFE) de 0,5 μm antes da impressão. A impressão foi realizada em impressora jato de tinta (Dimatix 2850, Fujifilm USA). A amostra foi impressa a 60 ° C. O filme de ZnO foi impresso completamente 15 vezes para aumentar a espessura do filme, e o espaçamento das gotas foi fixado em 50 μm. O espaçamento das gotículas do eletrodo de prata e das nanopartículas de prata foi definido como 45 e 100 μm, respectivamente. Eletrodos de prata com 3 mm de largura e uma lacuna de 2 mm foram impressos a partir de almofadas de contato. A difração de raios-X (XRD), microscopia eletrônica de varredura (SEM), espectroscopia de fotoluminescência (PL) e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) foram tomadas para filme de ZnO puro e ZnO com partículas de Ag para caracterizar a influência das nanopartículas de Ag no filme ZnO.

Resultados e discussão

O fotodetector ZnO UV totalmente impresso a jato de tinta sem Ag NPs (doravante referido como amostra de controle) é fabricado como a amostra de controle neste estudo. A superfície do filme ZnO de impressão a jato de tinta é caracterizada na Fig. 1a por SEM, e pode-se perceber que existem muitos limites de cristal do filme ZnO, que é a morfologia de superfície típica do filme ZnO de impressão a jato de tinta. A morfologia da superfície do fotodetector ZnO com impressão a jato de tinta Ag NPs (doravante referida como amostra Ag NP) é mostrada como Fig. 1b. Obviamente, pode-se observar que os Ag NPs foram impressos na superfície do filme de ZnO com sucesso. A distribuição do diâmetro do Ag NPs é medida por um instrumento de tamanho de partícula e o resultado é mostrado na Fig. 1d. Pode ser desenhado que o diâmetro de Ag NPs varia principalmente de 20 a 65 nm. As curvas XRD 2-teta-ômega das duas amostras são exibidas na Fig. 1c. A partir dos resultados de XRD, pode-se concluir que existem muitas orientações de cristal no filme de ZnO, o que indica que os limites do cristal de alta densidade são induzidos no filme de ZnO. Os limites do cristal são considerados para diminuir a corrente escura por causa do espalhamento do contorno de grão [16]. Os picos Ag (111) e Ag (200) aparecem em 38,17 e 44,45 °, provando que as Ag NPs de impressão a jato de tinta foram fabricadas no filme de ZnO com sucesso.

A imagem SEM de a ZnO e b impressos ZnO impresso com nanopartículas de Ag impressas. c Padrões de XRD de filme ZnO e sem Ag NPs. d A distribuição de tamanho das nanopartículas de Ag. Liu et al. [22]

A fim de revelar a influência de Ag NPs nas propriedades do filme de ZnO e fotodetector de UV, a simulação de PL, XPS e FDTD é feita e os resultados são mostrados na Fig. 2. A partir do espectro de PL normalizado mostrado na Fig. 2a, pode-se concluir que a luminescência verde da amostra Ag NP diminui em comparação com a amostra de controle, o que prova que o V _O -, V _Zn -, e O _i defeitos relacionados são parcialmente passivados [23,24,25]. Os resultados de XPS na Fig. 2b também mostram que a densidade de V _O defeitos é bastante reduzido para a amostra Ag NP. Além disso, o pico de –OH aparece na amostra de controle que é causado pela absorção da superfície devido à polaridade do filme de ZnO [26]. Como a superfície do ZnO é passivada por Ag NPs, o efeito de absorção é enfraquecido e nenhum pico relacionado a –OH aparece na amostra Ag NP. Comparando o resultado XPS da amostra Ag NP com a amostra de controle, o Ag – O pico nos dados XPS aparece em torno de 528 eV, que é considerado induzido pela oxidação de Ag NPs e a passivação de V _Zn . Porque a superfície específica é muito aumentada, compare Ag NPs com Ag bulk e a oxidação será mais fácil ocorrer, enquanto isso os átomos de Ag estarão localizados na posição de V _Zn defeitos e ligação com os átomos de O para passivar V _Zn defeitos. Para confirmar o papel dos Ag NPs para funcionar como plasmon de superfície (SP), a simulação FDTD é realizada. O diâmetro do Ag NP para a simulação é de 40 nm, porque o diâmetro da maioria das partículas de Ag variou de 30 a 40 nm. O modelo é mostrado na Fig. 2 c e d, e a relação entre a absorbância e o comprimento de onda é mostrada na Fig. 2e. Embora o pico de absorção esteja localizado em 376,5 nm, ainda há uma forte absorbância em 365 nm, o que significa que os Ag NPs realmente desempenham o papel de plasmon de superfície para o fotodetector ZnO UV em 365 nm.

a A intensidade de PL normalizada de filmes de ZnO com e sem Ag NPs. b Espectros XPS correspondentes ao nível do núcleo O-1s do filme ZnO com e sem Ag NPs. c As distribuições de campo elétrico em seção transversal e d as distribuições de campo elétrico de vista superior de Ag NPs em filme de ZnO simulado por FDTD. e As curvas de absorção do filme de ZnO com e sem Ag NPs calculadas por FDTD. Liu et al. [22]

Os testes IV em diferentes condições são realizados para caracterizar o desempenho dos dois fotodetectores de UV, conforme mostrado na Fig. 3. O diagrama de estrutura do fotodetector de UV ZnO modificado com impressão a jato de tinta Ag NP e a fotografia física são mostrados na Fig. 3a. Sob condição escura e fonte de luz de 365 nm, o teste I-V foi realizado nas duas amostras e os resultados são exibidos na Fig. 3b. Pode ser visto que a amostra Ag NP tem uma corrente escura mais baixa e fotocorrente mais alta do que a amostra de controle, o que significa que o desempenho da amostra Ag NP é melhor do que o da amostra de controle. As tendências de fotocorrente e responsividade ( R ) com a mudança da potência incidente são mostrados na Fig. 3 c e d, respectivamente. A responsividade é calculada pela seguinte fórmula [22]:
$$ R =\ frac {\ left | {I} _ {\ mathrm {light}} \ right | \ hbox {-} \ left | {I} _ {\ mathrm {dark}} \ right |} {P_ { \ mathrm {in}}}, $$ (1)

a Estrutura esquemática do fotodetector UV ZnO modificado com NP Ag NP e a inserção é uma imagem óptica do fotodetector UV fabricado por flexão. b Características I-V no escuro e UV 365 nm a 715 mW. c , d A tendência de fotocorrente e responsividade com um poder incidente e responsividade diferentes. e A relação entre detectividade normalizada ( D *) e o recíproco de NEP (1 / NEP). Liu et al. [22]

em que o eu _leve e eu _escuro são a fotocorrente e a corrente escura, respectivamente. O P _em representa a potência efetiva da luz incidente, que é igual ao valor que a potência total de entrada dividida pela área ativa ( A ) do fotodetector. Tanto a fotocorrente quanto a responsividade da amostra Ag NP mostram tendência de aumento com maior P _em , enquanto a tendência da fotocorrente para a amostra de controle é quase inalterada, mas a responsividade mostra uma tendência decrescente. A potência equivalente de ruído (NEP) e a detectividade normalizada ( D * ) são calculados pela expressão:
$$ \ mathrm {NEP} =\ frac {\ sqrt {2 {qI} _ {\ mathrm {escuro}} \ Delta f}} {R}, $$ (2) $$ {D} ^ {\ ast} =\ frac {\ sqrt {A}} {\ mathrm {NEP}}, $$ (3)
e a relação entre D * e 1 / NEP para as duas amostras são mostrados na Fig. 3e. O parâmetro f é a largura de banda e △ f =1 é adotado neste trabalho. O D * descreve a capacidade do fotodetector de detectar luz fraca e o NEP é a potência da luz incidente quando a relação sinal / ruído (S / N) é igual a 1. Obviamente, quanto maior D * e 1 / NEP representam maior desempenho do fotodetector UV. A partir da Fig. 3e, pode-se concluir que o fotodetector de ZnO modificado com NP Ag pode atingir D superior * e 1 / NEP, que prova que os Ag NPs impressos a jato de tinta são viáveis para melhorar o desempenho do fotodetector ZnO UV de impressão a jato de tinta. O D * e 1 / NEP aumentará com o maior poder de luz incidente para a amostra Ag NP, mas mostra tendência decrescente para a amostra de controle de acordo com a fórmula (1), (2) e (3). O D * das amostras Ag NP modificadas é 1,45 × 10 ¹⁰ Jones com potência de luz incidente de 0,715 mW, que é superior a 5,72 × 10 ⁹ Jones da amostra de controle. Embora a melhoria não pareça significativa neste trabalho por ser a primeira vez que se exploram processos relacionados, há um grande espaço para melhorias em pesquisas futuras.

Para explicar o mecanismo de mudança dos resultados do teste I-V mostrado na Fig. 3, os níveis de energia de V _O , V _Zn, e O _i defeitos relacionados são coletados de referências [27,28,29,30] na Fig. 4. Pode-se concluir que o V _O , V _O ⁺ , V _O ²⁺ e V _Zn defeitos são as armadilhas de orifícios [28, 30, 31]. The V _Zn ²⁻ e V _Zn ^- os defeitos são a armadilha de elétrons e o centro de recombinação não radiativa [28], respectivamente. Para amostras Ag NP, a concentração de armadilha de transportador é muito menor do que a da amostra de controle de acordo com os resultados de PL e XPS nas Fig. 2 a e b. Além disso, o -OH é considerado o doador superficial no material ZnO, e pode fornecer elétrons facilmente para aumentar a densidade do portador livre [32], que existe na amostra de controle, mas não pode ser encontrado na amostra Ag NP de acordo com o Dados XPS mostrados na Fig. 2b. De acordo com a análise acima, os diagramas de banda simplificados das duas amostras em condições diferentes são mostrados na Fig. 5. Quando o teste IV é realizado no escuro, a densidade do portador da amostra de controle será maior do que a da amostra Ag NP por causa dos elétrons livres excitados de doador raso e estados de superfície como mostrado nas Fig. 5 a e c. Assim, a corrente escura da amostra de controle é maior do que a da amostra Ag NP, o que corresponde aos resultados da Fig. 3b. Além disso, o "efeito de sombreamento" dos Ag NPs também causará a perda de energia da luz incidente [18], o que resultará no fato de que a corrente de luz e a responsividade da amostra Ag NP são menores do que a da amostra de controle em baixa poder incidente. Porém, quando o teste I-V é realizado sob a irradiação de luz de 365 nm, a fotocorrente da amostra controle não apresenta tendência de aumento significativo com o aumento da potência incidente. De acordo com a relação entre a taxa de captura do portador e a densidade da armadilha,
$$ {R} _ {n0} ={r} _n {nN} _ {tn0}, $$ (4) $$ {R} _ {p0} ={r} _p {pN} _ {tp0}, $ $ (5)

O diagrama esquemático do nível de energia de V _O , V _Zn e defeitos relacionados à Oi coletados em referências. NRC, centro de recombinação não radiativa; ET, armadilha de elétrons; HT, armadilha de buraco. Liu et al. [22]

a , b Diagrama esquemático para transporte de portadores e geração de filme de ZnO com Ag NPs no escuro e em iluminação de 365 nm, respectivamente. c , d Diagrama esquemático para transporte de portadores e geração de filme de ZnO sem Ag NPs no escuro e em iluminação de 365 nm, respectivamente. Liu et al. [22]

em que R _{n 0} e R _{p 0} são a taxa de captura de elétrons e lacunas, r _n e r _p são o coeficiente de trapping dos níveis de trap, n e p apresentam a concentração de elétrons livres e lacunas, e N _{tn 0} e N _{tp 0} representam a concentração de defeitos de armadilha de elétron e buraco antes da ionização, respectivamente. A partir das fórmulas (4) e (5), pode-se concluir que a taxa de captura de portadores do nível de armadilha aumentará com maior concentração de portador livre e maior densidade de defeitos de armadilha. Quando a luz atinge a amostra de controle, a excitação intrínseca ocorre e fornece uma grande quantidade de portadores livres. A probabilidade de os portadores serem capturados aumentará muito com o aumento da densidade dos portadores, o que limitará o aumento da concentração de portadores livres. Enquanto isso, os defeitos da armadilha ionizada também aumentarão a possibilidade de espalhamento dos portadores, o que diminuirá a mobilidade dos portadores e limitará ainda mais o aumento da fotocorrente. Assim, a fotocorrente da amostra de controle não aumentará substancialmente como mostrado nas Figs. 3c e 5d. A responsividade calculada da amostra de controle diminuirá com maior potência incidente porque a fotocorrente não aumenta significativamente com o aumento da potência incidente, conforme mostrado na Fig. 3d. Para a amostra Ag NP, há menos densidade de defeito de armadilha e estados de superfície em filmes de ZnO por causa da passivação de Ag NPs. Como resultado, a corrente escura da amostra Ag NP será menor do que a da amostra de controle porque a superfície passivada fornece concentração de doador menos rasa. Quando a amostra Ag NP é testada sob a irradiação de luz de 365 nm, como mostrado na Fig. 5b, a excitação intrínseca e o efeito do plasmon de superfície Ag NP serão aumentados. A concentração de portador livre será muito aumentada porque há menos defeitos de armadilha na amostra Ag NPs. A fotocorrente apresentará uma tendência de aumento significativo com maior potência incidente, o que corresponde ao resultado mostrado na Fig. 3c. A relação de lei de potência entre a fotocorrente e a potência da luz incidente do detector de ZnO modificado com NP Ag é
$$ {I} _ {\ mathrm {pc}} \ propto {P} _ {\ mathrm {in}} ^ {2,34}, $$ (6)
onde o eu _pc é a fotorresposta [33]. A partir da expressão relacional (6), pode-se concluir que a amostra Ag NP mostra-se altamente sensível à mudança da potência da luz UV incidente. Assim, a responsividade dos Ag NPs aumentará muito com maior potência incidente devido ao aumento significativo da fotocorrente. Isso contribuirá para a mudança de 1 / NEP e D * conforme mostrado na Fig. 3e, que indica que os Ag NPs são promissores para melhorar ainda mais o desempenho do fotodetector ZnO UV fabricado por impressão a jato de tinta totalmente.

A fotocorrente dependente do tempo das duas amostras é testada por ciclo liga / desliga de 20 s com a tensão de polarização de 20 V e a potência incidente de 0,715 mW, conforme mostrado nas Fig. 6 a e c. O tempo de decaimento para as duas amostras é ajustado por uma função de decaimento exponencial de segunda ordem [34]. Da Fig. 6 b e d, pode-se concluir que o tempo de subida das duas amostras é semelhante, mas o tempo de decaimento é obviamente diferente. O tempo de decaimento é de 3,01 se 8,12 s para a amostra de controle, que é muito maior do que 1,08 se 3,30 s da amostra Ag NPs. Os dois processos de decaimento indicam que existem dois mecanismos físicos separados controlando o fotodecadência do dispositivo. A diminuição significativa do tempo de deterioração significa que a impressão a jato de tinta Ag NPs pode se beneficiar da resolução de tempo do detector ZnO UV de impressão a jato de tinta. O processo de decaimento é considerado causado pelos portadores que são liberados dos níveis de armadilha quando a luz é desligada. Assim, a razão do tempo de decaimento mais longo para a amostra de controle é que a concentração da armadilha é muito maior do que a da amostra Ag NP, o que é consistente com os resultados que aprendemos na Fig. 2. A corrente de ativação da amostra de controle mostra tendência decrescente com os tempos de comutação na Fig. 6a, que é causada pelo espalhamento da portadora por cargas residuais no nível da armadilha de acordo com o aumento da corrente de desligamento. Para a amostra Ag NP, a corrente de desligamento quase chega a zero para cada período de chaveamento, o que significa que os portadores em traps são quase totalmente liberados. A corrente de ativação da amostra Ag NPs mostra tendência de aumento com os tempos de chaveamento, o que precisa ser mais pesquisado. Aqui, propomos a hipótese de que este fenômeno pode ser contribuído por efeito relacionado do plasmon de superfície ou as propriedades de memória do material ZnO [35, 36], que serão estudados em pesquisas futuras.

a Fotocorrente dependente do tempo de filme ZnO sem Ag NPs com iluminação de 365 nm a 20 V. b Resposta do filme ZnO sem fotodetector Ag NP. c Fotocorrente dependente do tempo de filme de ZnO com Ag NPs com iluminação de 365 nm a 20 V. d Resposta do filme de ZnO com fotodetector Ag NP. Liu et al. [22]

Conclusões

O fotodetector ZnO UV modificado com Ag NP totalmente para impressão a jato de tinta é fabricado com sucesso pela primeira vez neste trabalho. Os Ag NPs impressos a jato de tinta são conformados para serem competentes para o papel de passivação de defeitos e plasmon de superfície. Em comparação com o fotodetector UV ZnO de impressão a jato de tinta, a detectividade normalizada das amostras modificadas com Ag NP pode chegar a 1,45 × 10 ¹⁰ Jones com potência de luz incidente de 0,715 mW, que é superior a 5,72 × 10 ⁹ Jones do fotodetector ZnO sem Ag NPs. A fotorresposta dos Ag NPs modificados também é obviamente melhor do que a do fotodetector ZnO vazio. No entanto, como é a primeira vez que se aplica a impressão a jato de tinta Ag NPs para melhorar o desempenho do fotodetector ZnO de impressão a jato de tinta, há muito espaço para melhorias adicionais.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados usados ou analisados durante o estudo atual estão disponíveis junto ao autor correspondente, mediante solicitação razoável.

Abreviações

NPs:: Nanopartículas
PL:: Fotoluminescência
XPS:: espectroscopia de fotoelétrons de raios-X
FDTD:: Método de domínio de tempo de diferença finita
CVD:: Deposição de vapor químico
TFTs:: Transistores de filme fino transparente
PI:: Poliimida
PTFE:: Poli tetra fluoroetileno
XRD:: Difração de raios X
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura
SP:: Plasmon de superfície

MicroRNA-133a-3p restaurado ou PSAT1 esgotado restringe o aneurisma intracraniano induzido por danos às células endoteliais por meio da supressão da via GSK3β / β-catenina Sistema de monitoramento da decomposição térmica in situ da fase gasosa Ciclopentadienil Tris (dimetilamino) Zircônio (CpZr (NMe2) 3) Com base em FT-IR e QMS para Deposição de Camada Atômica

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