De extreem verbeterde fotostroomrespons in topologische isolator-nanoplaten met hoge geleiding

Resultaten en discussie

Figuur 1d-f onthult een lineaire spanning-stroomrelatie. Dit geeft de metaalkarakteristiek en de ohmse contacten tussen Pt-elektroden en nanoplaten aan. De gemeten geleidbaarheid, G , zijn 4 × 10 ⁻⁵ , 0,006 en 7 × 10 ⁻⁵ (S) voor nanosheets met een dikte van respectievelijk 202, 178 en 58 nm. De geleidbaarheid is hoger dan 1000 (S/m) wat de extreem hoge kristalkwaliteit in onze nanosheets ondersteunt.

Figuur 2a–c toont gemeten stromen als functie van de lichtsterkte. Figuur 2d-f laat zien dat de gemeten stroom evenredig is met de lichtsterkte [27, 28]. De relatie kan worden uitgedrukt als I _aan =β P ^α +Ik _uit , waar de I _aan is de gemeten stromen met licht, I _uit is de gemeten stroom zonder licht, β is een constante gerelateerd aan de fotostroomrespons, P is de lichtsterkte, en α is een constante die verband houdt met de lichtverlichtingstoestand tussen de apparaten en het licht. Het is vermeldenswaard dat de grotere I _aan wordt waargenomen in de nanosheet met grotere I _uit . De fotostroom, I _ph , wordt gedefinieerd als I _aan −Ik _uit . Tabel 1 geeft het montageresultaat weer. Het laat zien dat α ≈1 voor alle nanosheets met verschillende diktes, en dat ondersteunt de consistente optische eigenschappen in deze nanosheets. Het is vermeldenswaard dat β /G is 1,1×10 ⁵ ±0.2×10 ⁵ (A /WS) voor alle nanosheets. Dit geeft aan dat de waargenomen fotostroom evenredig is met de effectieve geleiding. Deze bevinding ondersteunt dat naast de systeemgeometrie en de materiaalbandstructuur, de effectieve geleiding van nanosheets ook een kritische factor zou zijn die de fotostroomrespons domineert.

een , b , en c toon de gemeten stromen als functie van de lichtsterkte in drie monsters met verschillende diktes. d , e , en f laten zien dat de gemeten stromen evenredig zijn met de lichtsterkte. Het valt ons op dat de grotere I _aan wordt waargenomen in de nanosheet met grotere I _uit

De ik _ph is afkomstig van elektron-gat-paren die worden geïnduceerd door de interactie tussen geïnjecteerde fotonen en nanosheets. De geïnduceerde elektronen en gaten stromen in tegengestelde richtingen onder toegepaste elektrische voorspanning. De effectieve ik _ph is evenredig met de aangelegde spanning en het aantal elektron-gatparen. Meer geïnjecteerde fotonen leiden tot meer elektron-gatparen. De lichtpenetratiediepte is kort en zwak, afhankelijk van de lichtsterkte. Het is gemeld dat de lichtpenetratiediepte ongeveer 20 nm is in topologische isolatoren, wat kleiner is dan de dikte van onze nanosheets [23, 24]. De ik _ph moet onafhankelijk zijn van de dikte van het nanoblad wanneer de dikte groter is dan de lichtpenetratiediepte. Het oppervlak van de nanosheet verdeelt zich in een factor 3, maar de waargenomen I _ph spreidt zich uit over een verschil van twee orde. Afgezien van de effectieve geïnduceerde elektron-gatparen, zijn de waargenomen verschillende I _ph moeten voortkomen uit intrinsieke eigenschappen. Om extrinsieke geometrie-effecten op de I . uit te sluiten _ph en kwantitatief bepalen van de prestaties van deze nanosheets, de responsiviteit, R , wordt berekend met behulp van de volgende vergelijking:

waar P en S zijn respectievelijk de lichtsterkte en het effectieve gebied.

Afbeelding 3 toont R als een functie van de lichtsterkte, anders dan meestal gemeld dat de R neemt drastisch af naarmate de lichtsterkte toeneemt in de op Bi-gebaseerde topologische isolatoren en laagdimensionale materialen [25, 26]. Onze resultaten laten zien dat de R en G zijn onafhankelijk van de lichtsterkte in vacuüm. Dat ondersteunt verder dat de lichtpenetratiediepte korter zou moeten zijn dan de nanobladdikte in onze experimentele omstandigheden. De grotere R wordt waargenomen in de nanosheet met een hogere geleiding. Dit ondersteunt dat de waargenomen hogere fotorespons afkomstig is van intrinsieke transportkenmerken en niet van de nanosheetgeometrie of experimentele omstandigheden.

De responsiviteit van drie Sb₂ Se₂ De nanobladen. Het onthult een zwakke afhankelijkheid van de lichtsterkte van de responsiviteit. De hogere responsiviteit wordt waargenomen in de nanosheet met hogere geleidbaarheid

Zoals getoond in Fig. 1 ondersteunt de lineaire spanning-stroomrelatie dat nanosheets een metallisch gedrag onthullen. De door licht geïnduceerde elektron-gatparen zouden naar twee elektrodecontacten reizen vanwege de aangelegde spanningsbias [27-29]. Volgens de wet van Ohm kan de gerelateerde fotostroom worden bepaald door de relatie I _ph =V G waar V is de aangelegde spanningsbias tussen twee elektroden. De ik _ph is evenredig met de G .

Figuur 4 onthult de R als een functie van de G in een log-log plot. De datapunten van Sb₂ Se₂ Dit zijn de meetresultaten in dit werk, en datapunten van Sb₂ SeTe₂ worden geëxtraheerd uit ons eerdere werk onder dezelfde kristalgroeiomstandigheden en meetopstellingen [27]. De dikte van Sb₂ SeTe₂ nanosheets zijn ongeveer 180 nm. De golflengte is 532 nm. Beide Sb₂ Se₂ Te en Sb₂ SeTe₂ laat zien dat R is onafhankelijk van de lichtsterkte. Deze datapunten volgen de tendens van de puntlijn over een breed bereik van de nanosheetgeleiding. Dit ondersteunt dat R is evenredig met de G , wat in overeenstemming is met ons voorstel.

Responsiviteit als een functie van nanosheetgeleiding. Het laat zien dat de responsiviteit evenredig is met de geleidbaarheid van nanosheets. De Sb₂ SeTe₂ gegevens zijn afkomstig van onze gerapporteerde waarden

Een systeem met een hogere fotostroomrespons verdient sterk de voorkeur voor potentiële toepassingen. Naast het zoeken naar nieuwe materialen of systemen met een specifieke bandstructuur en bandafstand, zou een juiste behandeling van een systeem ook geschikte methoden zijn om de fotorespons te verbeteren. Onze experimentele resultaten ondersteunen dat de intrinsieke elektrische geleiding een kritische factor zou zijn om de fotostroomrespons te optimaliseren. Dit kan worden bereikt door geschikte groeiomstandigheden. Zoals getoond in Fig. 4, wordt de fotostroom 2 orden verbeterd door aanpassing van de geleiding. Deze studie zou andere onderzoekers kunnen helpen bij het opstellen van een geschikte richtlijn bij het selecteren van een beter systeem voor verdere experimentele studies door middel van een eenvoudige elektrische test.

De R en detectiviteit bij V =0.1V bereikt 731 en 2.6×10 ¹⁰ op de nanosheet met hogere geleidbaarheid. Deze fotoreacties zijn groter dan alle gerapporteerde waarden in (Sb, Bi)₂ (Te, Se)₃ topologische isolatoren en laagdimensionale materialen [27, 28] en alleen lager dan verschillende gerapporteerde heterostructuren. Onlangs trokken laagdimensionale materialen veel aandacht op het gebied van fotostroom. Het valt ons op dat de gerapporteerde geleidbaarheid in deze laagdimensionale materialen extreem hoog is. Dit komt overeen met ons experimentele resultaat dat de geleidbaarheid een kritische factor zou zijn die de fotostroomrespons domineert.

Afbeelding 5 toont R als functies van de lichtsterkte in vacuüm en atmosfeer. Het valt ons op dat de R neemt drastisch af wanneer de lichtintensiteit lager is dan 500 Wm ⁻² qua sfeer. Dit ondersteunt dat deze afnemende R bij lage lichtintensiteit in de atmosfeer zou kunnen komen van de invloed van het geadsorbeerde molecuul op het oppervlak van onze Sb₂ Se₂ Het nanoblad.

Responsiviteit en fotogeleidende versterking als functies van de lichtsterkte bij een golflengte van 532 nm. De responsiviteit is een zwakke afhankelijkheid van de lichtsterkte in vacuüm. De responsiviteit neemt af naarmate de lichtsterkte in de atmosfeer afneemt wanneer de lichtsterkte lager is dan 500 W /m ²

De fotorespons zou extreem gevoelig zijn voor de toestand van het monsteroppervlak. Naast de vermindering van het effectieve responsgebied, kunnen oppervlaktedefecten en oxidatie de mobiliteit en levensduur van de drager verminderen.

Onlangs is gemeld dat geadsorbeerde moleculen op het oppervlak van Bi₂ Se₃ topologische isolatoren buigen de structuur en leiden tot een extra 2DEG. Deze geïnduceerde 2DEG zou de effectieve mobiliteit van de drager verbeteren [30]. Een systeem met een hogere draaggolfmobiliteit kan de transittijd van de draaggolf verkorten en een hogere fotostroom produceren. Aan de andere kant moet de verbeterde mobiliteit van de drager onafhankelijk zijn van de lichtsterkte. Deze ondersteunen dat de waargenomen R onderdrukking komt voornamelijk van het effectieve glanzende gebied, niet van de intrinsieke transportkenmerken. Er wordt dus aangenomen dat de daling van R in lucht bij lage lichtintensiteit zou meer gerelateerd moeten zijn aan geadsorbeerd moleculair schaduweffect dan het intrinsieke complexe dragerrelaxatie-effect.

De definitie van de responsiviteit is de verhouding van de geïnduceerde drager tot de invallende fotonen, en kan ook worden uitgedrukt als \(R=\eta \frac {q}{hf},\) waarbij q , hf , en η zijn respectievelijk de dragerlading, de foto-energie en de kwantumefficiëntie. De η is direct gerelateerd aan de materiaaleigenschappen en de lichtgolflengte. Om andere extrinsieke en intrinsieke effecten uit te sluiten en het molecuulschaduweffect te optimaliseren, is de R (een ik r )/R (v een c ) is een grafiek als functie van de lichtsterkte. Zoals getoond in Fig. 6, neemt de verhouding toe naarmate de vermogensintensiteit toeneemt en geleidelijk verzadigt bij een hoge vermogensintensiteit.

De verhouding van de responsiviteit in lucht tot die in vacuüm als functie van de lichtsterkte. De datapunten passen goed bij de theoretische voorspelling. De inzet laat zien dat de verhouding van de responsiviteit in lucht tot die in vacuüm negatief evenredig is met het omgekeerde van de lichtsterkte

We stellen een model voor waarbij het incidentfotongetal Y . is , de m fotonen interageren met materiaal, en n fotonen worden geblokkeerd door geadsorbeerd molecuul op het oppervlak. Dat wil zeggen, J =m +n . De Z is het gemiddelde aantal geïnduceerde fotostroomdragers met één foton. In de extreem zwakke lichtintensiteit is het fotogetal veel minder dan de totale moleculaire eenheid, de effectieve fotostroom zou de statistische berekening moeten volgen en het resultaat ondersteunt dat de kwantumefficiëntie, η , kan worden uitgedrukt als

Deze statische berekening ondersteunt dat de effectieve fotostroom sterk gerelateerd zou zijn aan de lichtsterkte in de limiet van de zwakke lichtsterkte en lange relaxatietijd; het fotonnummer is mogelijk kleiner dan de maker van de 'fotodrager'. De effectieve fotostroom kan worden uitgedrukt als

De J is recht evenredig met de lichtsterkte. De R (een ik r )/R (v een c ) is negatief evenredig met de inverse van Y en is zwak afhankelijk van de Y in de situatie van de Y ≫n . Zoals getoond in Fig. 6, laat het duidelijk zien dat de gemeten datapunten goed passen bij de theoretische vergelijking, en de inzet laat zien dat de datapunten negatief evenredig zijn met het omgekeerde van de lichtsterkte. Deze ondersteunen dat de waargenomen daling van de fotostroom voornamelijk afkomstig is van het schaduweffect van geadsorbeerde moleculen op het oppervlak. De \(\frac {R(air)}{R(vac)}\) is ongeveer 0,4 bij hoge vermogensintensiteit en dat geeft aan dat het oppervlak 40% bedekt met geadsorbeerde moleculen.

De inzet linksonder van figuur 7 toont de fotostroom als functie van de tijd. Het laadproces kan worden beschreven door de e ^{−t /k} , waar k is een karakteristieke tijdconstante. Ons experimentele resultaat laat zien dat de gemeten fotostroom goed past bij de aanpaslijn. De inzet rechtsboven toont de geëxtraheerde laadtijdconstante als functie van de dikte. Het laat zien dat de tijdconstante afneemt naarmate de dikte toeneemt. Dit gedrag kan worden opgevat als het uniformiteitsstroomproces [27, 28]. Anderzijds worden de laad- en ontlaadtijdconstanten van verschillende atmosfeerdrukken bepaald. Het laat zien dat de laadtijdconstante ongeveer hetzelfde is als de ontlaadtijdconstante, en een langere tijdconstante wordt waargenomen bij een lagere atmosfeerdruk.

De inzet linksonder toont de fotostroom als functie van de tijd in het laadproces en past goed bij de aanpaslijn. De inzet rechtsboven toont de laadtijdconstante als functie van de dikte. De laad- en ontlaadtijdconstante als functie van de druk