Directe groei van vederachtige ZnO-structuren door een eenvoudige oplossingstechniek voor fotodetectietoepassingen

Resultaten en discussie

Figuur 1a laat zien dat ZnO een veerachtige morfologie heeft, wat nieuw en ongebruikelijk is. De lengte van veerachtige structuren varieert tussen 300 en 800 nm, en de laterale lengte varieert van 200 tot 400 nm. Het vergrote SEM-beeld in Fig. 1b laat zien dat de hiërarchische structuren worden verkregen. Ondertussen zijn de takken van veerachtige 3D-structuren op interessante wijze loodrecht op de stammen van nanoplaten geassembleerd. Figuur 1c toont het TEM-beeld van een individuele hiërarchische structuur. De donkere stippen en de doorschijnende plaat komen overeen met de takken en de stam van het nanoblad. Omdat de grootte van veerachtig ZnO groter is dan 200 nm, kon de roosterrand niet worden onthuld. Figuur 2 toont de typische TEM-afbeeldingen van een nanostaafsegment van de ZnO-veren, het bewijst dat de nanostaaf een enkel kristal is.

een , b De SEM-beelden van veerachtig ZnO gegroeid op silicium. c Het TEM-beeld van individueel veerachtig ZnO. d Het dwarsdoorsnede-SEM-beeld van veerachtig ZnO/p-Si. e De EDS-analyse van het ZnO/p-Si, wat aangeeft dat de overheersende samenstelling Zn is. v XRD-patronen van veerachtig ZnO/p-Si

TEM-afbeeldingen van een hiërarchisch ZnO-structuursegment

Figuur 1e toont de pieken van EDS waarin alleen Zn, O, C en Si in ons monster werden gevonden, wat aangeeft dat het proces van SILAR succesvol is om puur ZnO op silicium te deponeren. De XRD (Fig. 1e) onthult de kristalstructuur en fasezuiverheid van de ZnO-hiërarchische structuren. Alle diffractiepieken van de producten komen zeer goed overeen met die van wurtziet ZnO (JCPDS-bestand 36-1451), evenals een dominante diffractiepiek die overeenkomt met de p-Si (400). In het spectrum worden geen diffractiepieken van andere onzuiverheden gevonden; het resultaat geeft aan dat de structuur zuiver hexagonaal wurtziet ZnO is. Bovendien is de intensiteit van piek (002) eerder hoger dan die van pieken (100) en (101); dit toont aan dat het kristallijne zich langs de (002) as voorkeursoriëntatie bevindt. De scherpe diffractiepieken laten zien dat ZnO een hoge kristalstructuur van pure kwaliteit heeft.

Hier moet worden vermeld dat er geen hiërarchische ZnO-structuren worden gevonden, hoewel de reactie wordt uitgevoerd onder dezelfde omgeving bij gebruik van Si-nanodraden waarbij alle kristalrichtingen Si (100)-substraten vervangen (getoond als Fig. 3). De resultaten geven aan dat de kristalrichting een sleutelrol speelt bij de nucleatie en groei van de hiërarchische structuur van ZnO.

SEM-afbeeldingen van ZnO gegroeid op silicium nanodraden:a morfologie en b doorsnede

Op basis van de bovenstaande resultaten kan worden gespeculeerd dat de veerachtige ZnO-hiërarchische structuren werden gesynthetiseerd via een tweetraps nucleatie-groeiproces. Figuur 4 toont het schematische diagram dat de vormingsprocessen van ZnO-hiërarchische structuren beschrijft. Ten eerste wordt ammoniakhydroxide gebruikt om hybroxylanionen (OH ⁻ ) die de pH van de reactieoplossing en de alkaliteit van de reactieoplossing verhoogt, dan is de Zn(OH)₄ ²⁻ ionen worden verkregen. Bij de uitdroging van Zn(OH)₄ ²⁻ ionen, Zn(OH)₄ ²⁻ ionen worden geadsorbeerd op het Si-substraat en vervolgens opgelost om homogene ZnO-kernen te vormen, gevolgd door het waterbad bij 90 ° C [17]. Tijdens dit proces kan de stamvorming van ZnO-nanoplaten met {110} vlak oppervlak in de beginfase worden toegeschreven aan de overtollige OH ⁻ ionen en overvloedig Zn(OH)₄ ²⁻ ionen (getoond als Fig. 4a), die de oppervlaktelading en de structuur van het Zn (001)-oppervlak tot op zekere hoogte kunnen stabiliseren, waardoor snelle groei langs de [100]-richting [18] mogelijk is. Ten tweede heeft het oppervlak van de primaire ZnO-nanobladen-stam gevormd tijdens de initiële groeifase veel kristallijne grenzen die meer defecten bevatten dan andere regio's. Deze defecten op het oppervlak van de romp bieden actieve plaatsen voor secundaire heterogene nucleatie en groei van takken (getoond als figuur 4b). Ten slotte construeert de continue groei van primaire nano-sheets en secundaire nano-takken de veerachtige hiërarchische ZnO-structuren (weergegeven als Fig. 4c).

Het schematisch diagram van vormingsprocessen voor ZnO-hiërarchische structuren:a de stamvorming van ZnO nano-sheets; b secundaire heterogene kiemvorming en groei van takken; c de continue groei van primaire nano-sheets en secundaire nano-takken construeert de veerachtige hiërarchische ZnO-structuren

Om de optische eigenschappen van veerachtig ZnO te onderzoeken, werd de PL bij kamertemperatuur verkregen met behulp van een He-Cd-laser (λ =325 nm) als de excitatiebron zoals weergegeven in figuur 5a. Er worden blijkbaar twee emissiepieken waargenomen. De eerste emissieband bij 384 nm wordt duidelijk veroorzaakt door de excitaties, die kunnen worden toegeschreven aan de randemissie van de UV-nabije-band [18]. Ondertussen wordt gevisualiseerd dat de zwakkere zichtbare emissie verscheen door een brede emissieband op 443 nm in het groene gebied, waardoor hun collectieve optische eigenschappen werden onthuld. De bestralingsrecombinatie van door foto gegenereerde niet-evenwichtsdragers die de zuurstofvacature innemen, kan aanleiding geven tot de groene piek, zou het bestaan ​​van zuurstofvacatures in de films zijn [19].

een PL-spectrum van veerachtig ZnO. b Reflectiespectra van ZnO/Si en Si vlak. c Het schema van veerachtige ZnO/Si-fotodiodes. d Ik -V krommingen van veerachtig ZnO/Si; de inzet van d is de lnI-V bochten

Figuur 5b toont reflectie van het veerachtige ZnO/Si en vlakke Si gemeten met UV-vis-NIR-spectroscopie. Het laat zien dat reflectie van veerachtig ZnO/Si duidelijk verminderd is in vergelijking met p-Si vlak (van 40 tot 10%), en een relatief lage reflectie in het bereik van 300 tot 400 nm als gevolg van band-naar-band absorptie. De superieure antireflectie-eigenschappen met een gemiddelde reflectie van minder dan 10% worden waargenomen voor ZnO/Si in golflengten korter dan 400 nm, wat de optische bandgap is van ZnO-materialen [20]. Dit resultaat geeft aan dat veerachtige ZnO-structuren werken als een uitstekende antireflectie. Daarom heeft het een potentiële toepassing als antireflectie in zonnecellen.

Afbeelding 5d toont de I -V curve van veerachtige ZnO/p-Si heterojunctie, gemeten in respectievelijk donker en onder AM 1.5 zonlicht bij kamertemperatuur. Het toont gelijkrichtgedrag voor de knooppunten die wijzen op de vorming van een diode tussen ZnO en Si. De rectificatieverhouding is zo hoog als 535 bij -1 V (1695 bij -2 V) in een donkere toestand. Dit geeft aan dat het rectificerende gedrag van ZnO/Si vrij uitstekend is. Theoretisch is de I -V relatie voor een heterojunctie kan worden beschreven als

waar K is de constante van Boltzmann, T is de absolute temperatuur in Kelvin, q is de eenheidslading van een enkel elektron, en n is de idealiteitsfactor. R _s is de serieweerstand van de diode, en I ₀ is de omgekeerde bias-verzadigingsstroom die wordt weergegeven. Het gedrag van de I -V curve kan gedeeltelijk worden verklaard door een banddiagram op basis van het Anderson-model [21]. Bovendien is de verhouding tussen fotostroom en donkerstroom ~90,24 onder de omgekeerde voorspanning bij een voorspanning van −2 V, wat suggereert dat deze structuur een duidelijk foto-responsgedrag vertoont.

Om verder te bevestigen dat de huidige veerachtige hiërarchische structuren het gunstige effect hebben op corrigerende eigenschappen, hebben we ook de I gemeten -V kenmerken van nano-dot-achtige ZnO / Si (Fig. 6a). De resultaten geven aan dat veerachtig hiërarchisch ZnO/Si een beter corrigerend effect had dan nano-stip-achtig ZnO/Si. Daarom zou het veerachtige hiërarchische ZnO de recombinatie-activiteit van de ladingen effectief kunnen onderdrukken en het corrigerende effect versterken.

een Ik -V krommen van veerachtig ZnO/Si en nano-dot ZnO/p-Si; de insert is de reflectiespectra. b Het energiebanddiagram van ZnO/p-Si heterojunctie. c Ik -t krommen van veerachtige ZnO/p-Si en p-Si vlakke structuren

Het energiebanddiagram van ZnO / p-Si heterojunctie werd geconstrueerd bij evenwicht getoond als Fig. 6b. In dit diagram worden de elektronenaffiniteiten voor ZnO en Si genomen als respectievelijk 4,35 en 4,05 eV.

De offset van de geleidingsband is ∆E _c = 0.3 eV, terwijl de valentieband-offset ∆E . is _v =2,54 eV; dus de geleiding van gaten domineert de voorwaartse I -V kenmerkend voor de kruising. De valentieband-offset is erg groot, er is een diffusie van elektronen van n-ZnO naar p-Si en diffusie van gaten van p-Si naar n-ZnO omdat elektronen minderheidsdragers zijn en gaten meerderheidsdragers zijn in p-Si en elektronen zijn meerderheidsdragers en gaten zijn minderheidsdragers in n-ZnO. Bij lage voorwaartse spanning neemt de stroom exponentieel toe. Daarom is de voorwaartse I -V kenmerken in Fig. 4d kunnen worden verklaard.

Afbeelding 6c is de I -t kromme van de veerachtige ZnO/p-Si en p-Si vlakke structuur bij bestraling met 365 nm UV-licht bij een voorspanning van 1 V. De huidige respons (I _licht = Ik _UV − Ik _donker ) in het ZnO/p-Si-apparaat is 0,10 mA, wat een verbetering van 90% is in vergelijking met een vlak Si-apparaat met een responsstroom van 0,01 mA. De verbetering in de responsstroom van ZnO / p-Si in vergelijking met p-Si vlak zou voornamelijk te wijten kunnen zijn aan de aanwezigheid van ZnO / p-Si heterojuncton, die de gegenereerde dragers snel zou kunnen scheiden en de recombinatiesnelheid van fotogegenereerde gratis lading zou kunnen verminderen vervoerders. Het veerachtige ZnO/p-Si-apparaat vertoont een enkele exponentiële stijging onder belichting die kan worden toegeschreven aan de recombinatie van de elektron-gatparen. In tabel 1 hebben we alle parameters van de twee apparaten bekeken. In vergelijking met kale Si planar is de gevoeligheid van de veerachtige ZnO/Si-structuur bijna 10 keer verbeterd. Bovendien, zoals getoond in figuur 5c, zijn hun stijg- en vervaltijden aanzienlijk verlengd voor het veerachtige ZnO / Si-apparaat, wat kan worden toegeschreven aan de recombinatie van gaten-elektronen. De resultaten suggereren dat de veerachtige hiërarchische ZnO-structuren een uitstekende gevoeligheid voor UV-licht vertonen. Deze cyclische gedragingen laten ook zien dat beide apparaten een zeer herhaalbare fotorespons laten zien met UV-verlichting.