UV-zichtbare fotodetector gebaseerd op I-type heterostructuur van ZnO-QD's/monolaag MoS2

Resultaten en discussie

Morfologie en structuur van de ZnO-QD's/monolaag MoS₂ Fotodetector

Spincoating van ZnO-QDs-oplossing werd toegepast om ZnO-QDs/MoS₂ te fabriceren apparaat, zoals getoond in Fig. 1a. Figuur 1b toont het optische beeld van monolaag MoS₂ vlokken met een gemiddelde zijlengte van 25 μm. AFM-afbeelding in Fig. 1c toont de dikte van MoS₂ vlokken is ~ 0.8 nm, wat aangeeft dat deze driehoekige vorm MoS₂ vlokken zijn monolaag [25]. Daarnaast zijn er twee actieve Raman-modi op 384,24 cm ⁻¹ en 403,18 cm ⁻¹ getoond in Raman-spectra in Fig. 1d komen overeen met in-plane E ¹ _2g en out-of-plane A_1g , respectievelijk. Het verschil van twee pieken is 18,94 cm ⁻¹ vervolgens is er in het PL-spectrum getoond in Fig. 1e een piek op 1,84 eV. Beide resultaten zijn onderscheidende kenmerken van monolaag MoS₂ [26]. Overeenkomstige Raman-afbeelding getoond in Fig. 1f, wat aangeeft dat de MoS₂ vlok heeft een uniforme dikte.

een Schematisch diagram van ongerept apparaat en ZnO-QDs/MoS₂ apparaat. b Optische beelden van MoS₂ vlokken, schaalbalk, 10 μm. c AFM-afbeelding, de inzet toont de dikte van MoS₂ , schaalbalk, 2 μm. d Raman-spectrum en e PL-spectrum van de MoS₂ vlok. v Raman-toewijzing van de MoS₂ vlok, schaalbalk, 5 μm

ZnO-QD's kunnen licht uitstralen vanwege het spontane emissie-effect, dat werd waargenomen in ons experiment, zoals weergegeven in figuur 2b. Figuur 2b toont de XRD-patronen van gepoederde ZnO-QD's die in overeenstemming met JCPDS-kaart nr. 36-1451 en er zijn geen andere pieken waargenomen, wat niet alleen het bestaan ​​van ZnO verifieert, maar ook betekent dat voorlopers volledig zijn verwijderd door aceton. XRD-patronen van QDs-materialen hebben over het algemeen een bredere volledige breedte bij half maximum (FWHM) in vergelijking met bulk- of poedermaterialen [27], wat ook wordt waargenomen in onze as-fabricated ZnO-poeders. Om de gemiddelde grootte en verdeling van ZnO-QD's gedispergeerd in ethanol te garanderen, worden TEM en HRTEM gebruikt; overeenkomstige afbeeldingen van ZnO-QD's worden getoond in Fig. 2c en d. De gemiddelde grootte van ZnO-QD's is 4,3 ± 1,87 nm; dit resultaat wordt verkregen door statistische TEM-analyse van meer dan 100 ZnO-QD's. Uit het HRTEM-beeld in Fig. 2d vinden we dat ZnO-QD's een hoge kristalkwaliteit hebben met een roosterafstand van 0,28 nm, wat overeenkomt met (100) vlak van kristallijn ZnO.

een ZnO-QD's met verschillende synthesetijd zenden licht uit onder verlichting van UV-licht. b XRD-diffractiepatronen van gepoederde ZnO-QD's. c , d TEM- en HRTEM-afbeeldingen van ZnO-QD's. Inzet toont grootteverdeling van ZnO-QD's

Opto-elektronische prestaties van de ZnO-QD's/monolaag MoS₂ Fotodetectoren

Stroom vs bias spanning (I–V) kenmerken van ZnO-QDs/MoS₂ apparaten in donkere en onder lichte verlichting (532 nm) worden getoond in Fig. 3a, en de inzet is I-V-kenmerken met een hogere vergroting die zich bij een negatieve spanning bevinden. De hoogste aan/uit-verhouding was ongeveer 100 bij een spanning van 0,5 V. Het effectieve gebied van het apparaat is 185,71  μm ² en de laser-PD varieert van 1,97 tot 24,08 mW/cm ² . Vanwege Schottky-contacten tussen de monolaag MoS₂ en elektroden, de I-V-curven zijn asymmetrisch. De voordelen van de Schottky-barrière die zich bij de contactgebieden bevindt, zijn dat de Schottky-barrière niet alleen fotogegenereerde elektron-gatparen in een kortere tijd kan scheiden, maar ook de elektron-gat-recombinatiesnelheid kan verlagen, wat gunstig is voor het bereiken van een hoge fotostroom en een snelle reactiesnelheid [28,29,30]. Naarmate de PD toenam, nam de fotostroom aanzienlijk toe wanneer het apparaat werd toegepast met positieve spanning, dus alle verdere metingen werden uitgevoerd bij V _ds =1 V.

een IV-kenmerken van de ZnO-QD's/MoS₂ fotodetector onder verschillende verlichtingsvermogensdichtheden. Inzet is de hogere vergroting I-V-karakteristieken (negatieve spanning) onder donkere en verschillende verlichtingsvermogensdichtheden. b 3D-responsiviteitskaart van de ZnO-QDs/MoS₂ fotodetector. c Stroomintensiteit-afhankelijke fotostroom (rood) en responsiviteit (R, groen) onder een excitatiegolflengte van 532 nm bij V _ds =1 V. d Vermogensintensiteitsafhankelijke externe kwantumefficiëntie (EQE, rood) en specifieke detectiviteit (D*, groen) bij V _ds =1 V

Responsiviteit is een van de cruciale parameters van fotodetectoren, gedefinieerd door R _λ =Ik _ph /PS, waarbij P de lichte PD is, en S het effectieve gebied van het lichtgevoelige. We presenteren een 3D-responsiviteitskaart van ZnO-QD's/MoS₂ apparaat in Fig. 3b, dat de impact van verschillende V _ds en PD over responsiviteit. Om de prestatieverschillen tussen het ongerepte apparaat en het met ZnO-QD's versierde apparaat te achterhalen, hebben we fotostroom (I _ph =Ik _licht − Ik _donker ) uitgezet door rode punten en responsiviteit (R _λ ) uitgezet door groene punten, onder verlichting van 405-nm laser met V _ds =1 V, zoals weergegeven in Fig. 3c. De fotostroom is aangebracht door I _ph ∼ P ^α , waarbij P de lichte PD is en α de index van de machtswet vertegenwoordigt. Passend bij de gemeten fotostromen, de waarde van α =0,8 voor de ongerepte MoS₂ en α =0,84 voor ZnO-QD's/MoS₂ worden bereikt. Hier, de berekende α dicht bij 1 betekent dat er minder foto-geëxciteerde drager verloren gaat als gevolg van recombinatie [31]. Het ongerepte apparaat heeft een maximale fotostroom van 0,168 nA onder laser-PD van 24,08 mW/cm ² en vertoont een responsiviteit van 0,028 A/W onder een lagere laser-PD van 0,073 mW/cm ² . Met dezelfde PD, ZnO-QDs/MoS₂ apparaat vertoont een hogere fotostroom van 0,667 nA en een responsiviteit van 0,084 A/W. Dit resultaat onthult fotostroom van monolaag MoS₂ apparaten kunnen aanzienlijk worden verbeterd door decoratie van ZnO-QD's. Daarnaast werden ook twee belangrijke parameters in fotodetectie, externe kwantumefficiëntie (EQE) en detectiviteit (D*), berekend voor verdere vergelijking. EQE is de verhouding van fotogegenereerde elektronen die buiten het apparaat worden verzameld tot het aantal invallende fotonen, uitgedrukt als EQE =hcR _λ /λ e, waarbij h de constante van Planck is, c de lichtsnelheid is, λ is de golflengte van excitatielicht, en e is de elementaire elektronische lading. Wat D* betreft, het kan de gevoeligheid van de fotodetector kwantificeren en wordt gedefinieerd als D* =R _λ S ^1/2 /(2eIk _donker ) ^1/2 als we aannemen dat de I _donker draagt ​​bij aan veel lawaai. Zoals weergegeven in Fig. 3d, vertoont het ongerepte apparaat een maximale EQE (rood) en D* (groen), overeenkomend met 8,5% en 3,84 × 10 ¹⁰ Jones, respectievelijk onder laser-PD van 0,075 mW/cm ² . Ondertussen, met dezelfde PD, maximale EQE en D*, overeenkomend met 25,7% en 1,05 × 10 ¹¹ Jones, respectievelijk, die beide ongeveer 3 keer hoger zijn dan die van de ongerepte, worden verkregen door ZnO-QDs/MoS₂ apparaat. De D* die door ons hybride apparaat wordt bereikt, is concurrerend met die van veel andere gerapporteerde fotodetectoren op basis van gelaagde materialen, zoals grafeen quantum dot/WSe₂ /Si heterojunctie (4,51 × 10 ⁹ Jones) en grafeen/grafeen QD's/grafeenstructuur (~ 10 ¹¹ Jones) [32, 33]. Dit komt omdat ik _donker verkregen in het apparaat wordt teruggebracht tot een extreem kleine waarde onder 0,1 nA bij een voorspanning van 1 V; het is vergelijkbaar met I _donker van grafeen-silicium heterojunctie fotodetector (0,1 nA bij nul bias) [34].

Fotostroom van ongerept apparaat en met ZnO-QD's versierd apparaat onder blootstelling van laser met verschillende golflengten worden gegeven in figuur 4a. Er bestaat een duidelijke verbetering van fotostroom in 405 nm, 532 nm of 635 nm, wat impliceert dat ZnO-kwantumdots met een brede bandafstand de prestaties van detectie van zichtbaar licht kunnen verbeteren. We hebben verder de breedband spectrale respons van het hybride apparaat onderzocht, 254-nm licht met een PD van 0,26 mW/cm ² en 375 nm licht met een PD van 0,51 mW/cm ² werden toegepast om hybride apparaat te verlichten en uitstekende fotoresponseigenschappen werden waargenomen zoals getoond in Fig. 4b. Bovendien reageert het hybride apparaat niet wanneer het werd verlicht door licht met een golflengte van meer dan 800 nm. Hoewel het vermogen van UV-lichtbelichting laag is, is de fotostroom nog steeds veel hoger of op zijn minst vergelijkbaar met die verkregen onder zichtbaar lichtbelichting met een veel hogere PD. We geloven dat het de brede bandafstand van ZnO-QD's is die hybride apparaten in staat stelt meer fotonen te absorberen wanneer UV-licht erop valt; er worden dus veel carry's gegenereerd en overgedragen naar MoS₂ om de fotostroom aanzienlijk te vergroten. Bovendien bleven fotostroom en donkerstroom na 6 keer in-/uitschakelen van de status van meer dan 250 s nog steeds op hun niveau, wat een uitstekende fotostabiliteit van dit hybride apparaat aantoonde.

een Fotostroom van ongerept apparaat en ZnO-QDs/MoS₂ fotodetector verlicht onder verschillende PD met verschillende golflengte bij V _ds =1 V. b Meerdere cycli van fotorespons van de ZnO-QDs/MoS₂ fotodetector onder DUV (254 nm) en UV (375 nm) lichtverlichting (V _ds =1 V). De reactietijd van c ongerept apparaat en d ZnO-QD's/MoS₂ fotodetector verlicht onder PD van 35 mW/cm ² met een golflengte van 635 nm bij V _ds =1 V. e Genormaliseerde PDCR van ZnO-QDs/MoS₂ fotodetector onder een laserverlichting van 532 nm bij V _ds =1 V; fotostroom gemeten op dag 1 en dag 31 is ingevoegd voor een betere vergelijking

Een fotodetector met een hoge reactiesnelheid is geschikt voor sommige gebieden, zoals optische communicatie en videobeeldvorming. Als een andere belangrijke parameter van fotodetectoren werd de responstijd ook onderzocht onder invallend licht van 635 nm met een PD van 35 mW/cm ² . In dit werk hebben we de stijgtijd en de vervaltijd van de fotodetector gedefinieerd als de tijd die het apparaat nodig heeft om respectievelijk 90% van de evenwichtswaarde van de initiële stroom te bereiken, en vice versa. Voor het ongerepte apparaat was de stijgtijd 9,5 s en de vervaltijd 17,4 s, een dergelijke lage responssnelheid voornamelijk als gevolg van traptoestanden in de bandgap die werd geïntroduceerd door defecten in de materialen [35]. Na MoS₂ fotodetector was versierd met ZnO-QD's, zoals getoond in Fig. 4c en d, de stijg- en vervaltijd teruggebracht tot 1, 5 s en 1, 1 s, de responstijd werd verminderd met respectievelijk 84, 2% en 93, 7%. Dit resultaat toont aan dat ZnO-QD's de responstijd van MoS₂ aanzienlijk kunnen verkorten fotodetectoren en maken deze hybride fotodetector een geschikte kandidaat voor praktische toepassingen. Om de stabiliteit op lange termijn van de hybride fotodetector te evalueren, hebben we de fotostroom van het apparaat gedurende 1 maand (interval van 3 dagen) gemeten, zoals weergegeven in Fig. 4e; verhouding fotostroom/donkerstroom (PDCR =I _ph /Ik _donker ) was toegepast. Na blootstelling aan lucht gedurende 1  maand, vertoont de PDCR van het apparaat geen duidelijke degeneratie; ingevoegde afbeeldingen laten zien dat de gemeten stroom op dag 1 en dag 31 bijna op hetzelfde niveau blijft; het is duidelijk dat deze hybride fotodetector een goede stabiliteit heeft voor langdurige fotodetectie.

Fotoresponsmechanisme

Hier hebben we het mechanisme onderzocht op de verbetering van de fotodetectieprestaties van de ZnO-QDs/MoS₂ fotodetector. Ten eerste hebben we de absorptie van de hybride structuur gecontroleerd door middel van numerieke simulaties. Met behulp van de eindige-elementenmethode hebben we een rekenmodel gebouwd dat bestaat uit een luchtdomein aan de bovenkant en een saffiersubstraat aan de onderkant. De boven- en onderkant van het model werden afgekapt door twee perfect op elkaar afgestemde lagen om valse reflecties te voorkomen. De brekingsindex van het saffiersubstraat werd ingesteld op een constante van 1,75. In het begin zetten we respectievelijk 0,8 nm dikke MoS₂ laag en 4,5 nm dikke ZnO-laag op het saffiersubstraat, om de onafhankelijke absorpties te controleren. De brekingsindex van MoS₂ monolaag is overgenomen uit referentie [36] en die voor ZnO is overgenomen uit referentie [37]. We plaatsen dan een hybride laag (ZnO over MoS₂ ) op hetzelfde saffiersubstraat om de algehele absorptie te onderzoeken. Zoals getoond in Fig. 5a, vertoont de hybride laag een verbeterde absorptie bij het golflengtegebied lager dan 400 nm vergeleken met de kale MoS₂ monolaag, die een betere UV-absorptie onthult na de ZnO-QDs-decoratie. Vervolgens hebben we experimenteel de UV-Vis-absorptiespectra van MoS₂ . gecontroleerd , ZnO-QD's en ZnO-QD's/MoS₂ en het resultaat komt overeen met de berekende. Zoals getoond in Fig. 5b, monolaag MoS₂ vertoont een breedbandabsorptiebereik van UV tot zichtbaar golflengtelicht en er worden geen absorptiepieken gevonden wanneer de golflengte toeneemt tot NIR. Wat ZnO-QD's betreft, bevinden de absorptiepieken zich bij UV-golflengtelicht en is er een grotere absorptiesnelheid in vergelijking met MoS₂ . Na decoratie van ZnO-QD's, ontdekten we dat ZnO-QD's/MoS₂ vertoont een sterker absorptievermogen dan ongerepte MoS₂ , wat aangeeft dat de heterostructuur een intensievere interactie tussen licht en materie heeft. De corresponderende Tauc-plots worden getoond in Fig. 5c, en de bandgap van MoS₂ en ZnO-QD's kunnen worden berekend als respectievelijk ~ 1.77 eV en ~ 3.42 eV, wat dicht bij de waarden in de vorige rapporten [27, 38] ligt.

een Berekende absorptiespectra van MoS₂ , ZnO-QD's en ZnO-QD's/MoS₂ . b UV-vis absorptiespectra van MoS₂ , ZnO-QD's en ZnO-QD's/MoS₂ . c Tauc-plots van MoS₂ en ZnO-QD's

Op basis van de eerdere rapporten, MoS₂ en ZnO-QD's zijn beide n-type halfgeleiders met de werkfunctie van respectievelijk 4,7 eV en 5,3 eV [39, 40]. Elektronenaffiniteit van MoS₂ is ongeveer 4,3 eV [41], wat iets groter is dan die van ZnO-QD's (4,2 eV) [42]. Band gap van MoS₂ en ZnO-QD's worden beschouwd als 1,8 eV en 3,4 eV volgens Tauc-plotberekeningen. De energiebandstructuur van MoS₂ en ZnO (voor en na contact), getoond in Fig. 6a en b, is geconstrueerd en gebruikt om het mechanisme over de verbetering van de fotodetectieprestaties te onderzoeken.

een en b zijn banddiagrammen van MoS₂ en ZnO-QD's voor en na contact

MoS₂ /ZnO-QDs heterojunctie wordt gevormd door Van der Waals-krachten en de I-type banduitlijning op het grensvlak kan worden gebruikt om de verbeterde responsiviteit te verklaren [42]. Wanneer deze heterostructuren worden belicht onder UV-licht, worden zowel ZnO-QD's als MoS₂ sterk absorberen licht foton en elektronen verplaatsen van valentie naar geleidingsband zodat het proces "I" optreedt. Daarna worden elektronen geïnjecteerd vanuit de geleidingsband van ZnO-QD in MoS₂ geleidingsband om proces "V" te vormen door thermische agitatie, ondertussen een deel van elektronen in ZnO-QD's geleidingsbandtunnel naar geleidingsband in MoS₂ , resulterend in het proces “III.” En dan gaan gaten in de valentieband van ZnO-QD naar de overeenkomstige valentieband in MoS₂ , zoals weergegeven in het proces "IV." Ook kan spontane emissie een deel van de elektronen in de geleidingsband van ZnO-QD's maken en teruggaan naar de valentieband om een ​​foton uit te zenden dat elektronen in de valentieband van MoS₂ kan exciteren. naar de geleidingsband om het proces "II" te vormen. Aan de andere kant vonden vergelijkbare processen plaats toen de hybride apparaten werden verlicht door zichtbaar licht, behalve dat de aangeslagen elektronen afkomstig waren van het defecte energieniveau van ZnO-QD's [43], wat de aangeslagen energie zou verlagen. Dientengevolge worden deze geëxciteerde elektron-gatparen overgedragen van ZnO-QD's naar MoS₂ en leiden tot een aanzienlijke verbetering van de fotostroom in vergelijking met het oorspronkelijke apparaat. Bovendien is een groot aantal aangeslagen dragers MoS₂ zal de recombinatiesnelheid aanzienlijk verhogen en de respons- en vervaltijd [42] verminderen, die werden waargenomen in Fig. 4c en d.