Nabij-infrarood foto-elektrische eigenschappen van meerlaagse Bi2O2Se-nanofilms

Resultaten en discussie

Zoals figuur 1a illustreert, gelaagde Bi₂ O₂ Se toont een tetragonale structuur met I4/mmm ruimtegroep, en bestaat uit vlakke covalent gebonden oxidelagen (Bi₂ O₂ ) ingeklemd door Se vierkante arrays met relatief zwakke elektrostatische interacties [21]. Dit soort structuur is vergelijkbaar met mica. Vandaar dat tweedimensionale Bi₂ O₂ Se nanofilms zijn tot nu toe allemaal gesynthetiseerd op het mica-substraat door middel van chemische dampafzetting (CVD) [7, 14, 15]. Figuur 1b illustreert een groot optisch aanzicht van als gegroeid meerlaagse Bi₂ O₂ Zie nanofilms op mica. Het is duidelijk te zien dat de nanofilms uniform zijn en bijna rechthoekige vormen hebben. Een atomic force microscope (AFM) beelden van Bi₂ O₂ Se nanofilms in ons experiment worden getoond in Fig. 1c. Volgens de theoretische dikte van de monolaag (≈ 0,61 nm) [14, 15], is 30 nm (figuur 1d) gelijk aan de dikte van ongeveer 49 lagen. Figuur 1e toont de XRD-patronen van Bi₂ O₂ Zie nanofilms. Waarneembare pieken worden allemaal toegeschreven aan (00l) diffractievlakken van Bi₂ O₂ Se (de kristallijne oriëntatie is langs c -as), consistent met de eerdere studies [14]. De karakteristieke A_1g piek van Bi₂ O₂ Se is te vinden op ≈ 159.1 cm ⁻¹ in het Raman-spectrum (Fig. 1f), wat in goede overeenstemming is met de eerdere rapporten [22]. Figuur 1g toont de typische IV-curve van Bi₂ O₂ Zie apparaat. Uitstekende lineaire IV-curve geeft aan dat de Ohmse contacten zijn gevormd. Trouwens, 2D Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector vertoont een uitstekende omgevingsstabiliteit, wat een belangrijke maatstaf is voor toekomstige praktische toepassingen [14, 15]. Uit Fig. 1h is de gemeten lengte en breedte van het apparaat respectievelijk 29 μm en 91 μm.

Karakterisering van gelaagde Bi₂ O₂ Zie nanofilms. een Schema van gelaagde Bi₂ O₂ Zie kristalstructuur. Oranje bal:Bi. Rode bal:O. Gele bal:Se. b Typisch optisch beeld van als gegroeid Bi₂ O₂ Zie nanofilms op mica. c AFM-beeld van meerlaagse Bi₂ O₂ Zie nanofilms. d Overeenkomstige hoogte informatie. De dikte is ~ 30 nm. e XRD-patronen. v Raman-spectrum geëxciteerd met een laser van 532 nm. g Uitvoerkenmerken van meerlaagse Bi₂ O₂ Se-apparaat, dat een uitstekende omgevingsstabiliteit vertoont, zelfs bij blootstelling aan lucht gedurende 3  maanden. De inzet toont de optische afbeelding van het apparaat. u SEM-afbeelding van meerlaagse Bi₂ O₂ Se nanofilms, die de nanostructuurinformatie van dit materiaal tonen. De inzet is een vergroot SEM-beeld

Zoals figuur 2a laat zien, is de foto-elektrische respons van meerlaags Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector naar NIR werd opzettelijk gemeten. Hier bespreken we voornamelijk de prestaties van het apparaat in de telecommunicatieband (1550 nm), die veel wordt toegepast in militaire, commerciële, publieke en academische domeinen. Uit Fig. 2b blijkt dat I_DS groeit uiteraard naarmate de lichtintensiteit toeneemt. Bovendien toont de IV-curve van het apparaat onder verlichting geen schijnbare nullastspanning en kortsluitstroom. Dit feit geeft aan dat de Schottky-barrière gevormd tussen de elektrode en het materiaal geen centrale rol speelt in de transportkarakteristiek van het apparaat. Daarom moet de foto-elektrische respons van het materiaal voornamelijk afkomstig zijn van het fotogeleidende effect [10].

Foto-elektrische respons op telecommunicatieband (golflengte 1550 nm) van meerlaagse Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector. een Schematische 3D-weergave van Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector onder verlichting. b IV-curven van Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector onder verschillende lichtintensiteiten. c Tijdsafhankelijk fotoresponsgedrag van Bi₂ O₂ Se apparaat onder 1550 nm lichtverlichting (P =0,26 uW). De inzet toont een ultrasnelle fotoreactie van het apparaat. d Fotostroom en fotoresponsiviteit van Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector onder verschillende lichtintensiteiten

Om de prestaties van de fotodetectoren te evalueren, wordt fotoresponsiviteit (R ), externe kwantumefficiëntie (η ), en detectiviteit (D* ) zijn kritische parameters die kunnen worden berekend met de volgende formule [10, 17]:

waar ik _ph is fotostroom (het verschil van de afvoerstroom tussen verlichte (I _ik ) en donker (I _d ) staten), P is de lichtintensiteit, S is het effectieve gebied, h is de constante van Planck, c is de lichtsnelheid, λ is de lichtgolflengte, en q de elektronische lading. Hier nemen we aan dat de donkerstroom de belangrijkste bijdrage levert aan de schotruis, dus leiden we af tot de vergelijking (3) [7]. Deze vereenvoudiging is gebruikt om de fotorespons van 2D-gelaagde materialen te evalueren, zoals grafeen [23] en WSe₂ [24].

Zoals te zien is in figuur 2c, heeft het apparaat na verschillende cycli een zeer stabiele en herhaalbare fotorespons op 1550 nm licht. De responstijd is extreem snel en kan respectievelijk 30 ms stijgen en 60 ms in verval bereiken. Dit is te wijten aan het feit dat de ultradunne Bi₂ O₂ Se nanofilms hebben geen oppervlaktevaltoestanden en ondiepe defectenergieniveaus. Ten slotte, zoals getoond in Fig. 2d, I _ph neemt monotoon toe met P toenemend, volgend op een relatie I~P ^α . Hier wordt α afgeleid als 0,99 voor Bi₂ O₂ Se door de experimentele gegevens aan te passen, wat suggereert dat de fotostroom voornamelijk wordt bepaald door de hoeveelheden geabsorbeerd foton [7]. De fotoresponsiviteit van meerlaagse Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetectoren zijn ongeveer 68 A/W, wat een extreem hoge prestatie vertoont als fotodetector.

Vervolgens de foto-elektrische responsprestaties van meerlaagse Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector voor de NIR-golflengten (850-1550 nm) werd systematisch bestudeerd. Volgens de berekening met de vermelde formules (1)-(3) worden de fotoresponsiviteit, externe kwantumefficiëntie en detectiviteit gedemonstreerd in Fig. 3. Het kan worden vastgesteld dat het apparaat een zeer hoge fotoresponsiviteit heeft op de NIR-band, die 101A bereikt /W (900 nm). Bovendien, meerlaagse Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector bezit een ultrahoge η , die 20.000% overschrijdt bij 850 nm, wat wijst op zijn uitstekende foto-elektrische conversievermogen. De detectiesnelheid kan oplopen tot 1,9 × 10 ¹⁰ bij 900 nm, met een perfecte signaal-ruisverhouding als een fotodetector. Bij onze meting blijft de donkerstroom van het apparaat altijd op een relatief stabiele waarde (0,5 A). Daarom is de trend van D* (als functie van de invallende golflengte) is vergelijkbaar met de trend van R . Vanzelfsprekend, vergeleken met dunne-laag Bi₂ O₂ Zie gerapporteerd door Ref. [7] en ref. [8], meerlaagse Bi₂ O₂ Se heeft een hogere foto-elektrische responsiviteit en externe kwantumefficiëntie (source-drain bias-spanning, 1 V, wat hetzelfde is als Ref. [7] en Ref. [8]), terwijl het toch een relatief snelle responstijd en een hoge detectiesnelheid behoudt. Opvallend is dat Ref. [8] rapporteerde alleen de intrinsieke responstijd (1 ps) van materiaal door middel van een pomp-sondetechniek, maar zonder een responstijd van het apparaat van Bi₂ O₂ Zie fotodetectoren [8].

NIR foto-elektrische prestaties van meerlaagse Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector. een Fotoresponsiviteit, b externe kwantumefficiëntie, en c detectiviteit als functie van NIR-golflengten

Over het algemeen hebben 2D-gelaagde materialen nog niet zo'n hoge gevoeligheid getoond in het NIR-detectiebereik. Overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) hebben bijvoorbeeld meestal te grote bandgaps om IR-licht te detecteren [17], terwijl het voor grafeen een snelle fotorespons vertoont maar een zeer lage intrinsieke gevoeligheid van minder dan tientallen mA/W [25]. Hoewel de fotoresponsiviteit kan worden verbeterd door atomaire heterostructuren [26,27,28] te fabriceren, presteert deze nog steeds niet perfect in de NIR-detectie. Vergeleken met andere 2D-materialen (tabel 1), meerlaagse Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector vertoont uitstekende foto-elektrische prestaties, vooral een hoge R en een hoge η . Opvallend is dat als de chemische ets werd toegepast om de geometrie van meerlaagse Bi₂ . te optimaliseren O₂ Zie nanofilms [15], de prestaties van het apparaat kunnen verder worden verbeterd.

Het fysieke foto-reactieproces van Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetectoren kunnen worden verklaard door een eenvoudig energiebanddiagram (figuur 4a). Zonder verlichting en zonder toepassing van drain-bias, bevindt het apparaat zich in de evenwichtstoestand en loopt er geen stroom in het kanaal. Het verlichten van het apparaat met NIR-licht zal resulteren in lichtabsorptie en excitatie van elektron-gatparen, die kunnen worden geëxtraheerd door een drain-source bias toe te passen [29,30,31]. Sinds de Schottky-barrière in Bi₂ O₂ Se-metaalcontact is erg laag, de fotogegenereerde ladingsdragers zouden gemakkelijk de barrière kunnen passeren [16,17,18]. Daarom, meerlaagse Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector vertoonde uitstekende foto-elektrische prestaties.

Fysiek mechanisme van meerlaagse Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector. een Het gedrag van door foto gegenereerde ladingsdragers van meerlaagse Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector. Hier, E_F is de energie van het Fermi-niveau, E_C is de minimale geleidingsband, E_V is de maximale valentieband. b Het recombinatieproces ("aan"-status naar "uit-status") van Bi₂ O₂ Se-gebaseerde fotodetector. Hier is CB de geleidingsband, CV is de valentieband, E_vac is vacuümenergie, EA is elektronische affiniteit

Belangrijk is dat het mechanisme van verbeterde foto-elektrische prestaties wordt besproken. Theoretisch is de optische adsorptie van meerlagige Bi₂ O₂ Se is hoger dan die in dunne laag Bi₂ O₂ Se, die hogere fotostromen kan induceren I _ph [14, 20]. De invallende kracht P(x) als functie van afstand x kan worden uitgedrukt als P(x) =P _in ·e ^−α·x , waar α is de absorptiecoëfficiënt van de Bi₂ O₂ Se nanofilms bij de invallende fotonenergie. De hoeveelheid stroom die wordt geabsorbeerd door een plak Bi₂ O₂ Se met dikteΔx op afstand x vanaf het oppervlak is dR _een =− (dP/dx)·Δx . Vervolgens wordt het totale vermogen geabsorbeerd door de Bi₂ O₂ Se film van dikte d is R _een =P _in ·(1 − e ^−α·d ). Voor α·d <<1, het opgenomen vermogen kan worden geschreven als R _een =P _in ·α·d [16, 19]. Hier, de dikte d van in ons experiment is 5 keer en 3 keer van Ref. [7] en ref. [8], respectievelijk. In feite, meerlaagse Bi₂ O₂ Se nanofilms in ons werk zouden een betere R . hebben . Echter, hoewel met de toename van optische adsorptie, multilayer Bi₂ O₂ Se hebben enkele nadelen, zoals een hogere dichtheid van toestanden (DOS), waardoor er meer mid-gap toestanden ontstaan ​​in vergelijking met monolaag (of dunne laag) [13, 14]. Zoals figuur 4b laat zien, wanneer het apparaat van "aan-toestand" naar "uit-toestand" gaat, zullen de aangeslagen elektronen in hogere banden van meerlaagse Bi₂ O₂ Se zal eerst naar de mid-gap-toestanden gaan en dan terugkeren naar de grondband [16, 17, 19]. Met andere woorden, de levensduur van de drager τ onvermijdelijk zal stijgen. Dezelfde situatie zal zich voordoen wanneer het apparaat van "uit-status" naar "aan-status" gaat. Interessant is dat, vergeleken met eerder werk, meerlaagse Bi₂ O₂ Se nanofilms hebben nog steeds een snelle responstijd, waaraan in veel toepassingen wordt voldaan [1,2,3]. Dit betekent dat het bestaan ​​van mid-gap-toestanden niet nadelig mag zijn voor de dynamische prestaties van Bi₂ O₂ Zie nanofilms. Als laatste, voor sterk verbeterde η , spelen twee hoofdredenen een centrale rol. Ten eerste verbeteren de verhoogde lagen de absorptie van invallende fotonen. Bovendien zorgt het bestaan ​​van mid-gap-toestanden voor meer overgangskanalen voor geëxciteerde elektronen. Dus, η neemt aanzienlijk toe [16, 19].