Golflengte-gecontroleerde fotodetector op basis van enkele CdSSe Nanobelt

Resultaten en discussie

Afbeelding 2a toont een SEM-afbeelding van de voorbereide CdSSe NB's. Het is gebleken dat de CdSSe NB's een goede morfologie en uniforme breedte en lengtes tot honderden micrometers hebben. Afbeelding 2b is een SEM-afbeelding met hoge vergroting van de CdSSe-nanobelts. Opgemerkt wordt dat de nanobelt dun en uniform is met een breedte van 2.632 m. Figuur 2c en zijn inzet tonen het TEM-helderveldbeeld en het geselecteerde gebiedsdiffractiepatroon (SAD) van een enkele nanoband met een breedte van 2,94 μm en een dikte van minder dan 50 nm. Het SAD-patroon bevestigt de eenkristalkwaliteit en kan worden geïndexeerd op een hexagonale structuur met roosterparameters a = 4.177 Å en c = 6.776 Å. Het corresponderende HRTEM-beeld wordt weergegeven in figuur 2d, en de roosterafstand tussen het aangrenzende vlak is 0,34 nm, wat overeenkomt met het (110) kristalvlak. Dienovereenkomstig is de groeirichting langs [110].

De morfologiebeelden van CdSSe NB's. een SEM bij lage vergroting. b SEM bij hoge vergroting. c SAD, inzet:zijn TEM. d HRTEM

EDX en mapping van de CdSSe-nanobelts worden getoond in Fig. 3. SEM-beeld van een monster bij lage veelvouden wordt weergegeven in Fig. 3a. Er wordt waargenomen dat de hele regio is bedekt met nanobelts. Figuur 3b is de totale verdeling van Cd, S en Se. De afbeeldingen van Cd-, S- en Se-elementen zijn respectievelijk weergegeven in Fig. 3c-e. Het onthulde dat Cd, S en Se uniform zijn verdeeld in de hele nanobelts. Het EDX-spectrum verzameld van dezelfde nanobelts wordt weergegeven in figuur 3f, wat aangeeft dat de nanobelt is samengesteld uit Cd-, S- en Se-elementen.

SEM-afbeelding en elementaire toewijzingen van CdSSe NB's. een SEM. b–e Cd-, S- en Se-toewijzingen, respectievelijk. v EDX

XRD- en XPS-patroon van CdSSe NB's worden weergegeven in Fig. 4. Alle diffractiepieken kunnen worden geïndexeerd naar een hexagonale structuur van CdS_0,76 Se_0,24 met roosterparameters a = 4.177 Å en c = 6.776 Å, wat overeenkomt met de standaardkaart (JCPDS-nr. 49-1459). De posities van de diffractiepieken (2θ = 24,72°, 26,35°, 28,13°, 36,42°, 43,47°, 47,5°, 50,4°, 51,4° en 52,4°) overeenkomend met het kristalvlak (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) en (201) respectievelijk. Er worden geen andere onzuiverheden gedetecteerd. De scherpe en smalle diffractiepieken onthulden dat de verkregen CdSSe-nanobanden een goede kristalliniteit hebben. Afbeelding 4b toont de bindingsenergieën van Cd3d_5/2 en Cd3d_3/2 voor de CdSSe NB's bij respectievelijk 404,8 en 411,7 eV, die dicht bij de waarden liggen die in het vorige werk zijn gerapporteerd [26]. De scheidingsafstand tussen twee pieken is 6,9 eV, wat aangeeft dat Cd-atomen zich in de volledige CdS-fase bevinden [27]. De deconvolutie van de S(2p)-piek toont twee Gauss-pieken, gecentreerd op 160,7 en 165,1 eV in figuur 4c. De valentie-elektronenspectra van Se (3d) zijn weergegeven in figuur 4d, waarin slechts één piek bij 53,5 eV werd waargenomen. Daarom bevestigen de XPS-resultaten dat de nanobelts zijn samengesteld uit Cd-, S- en Se-elementen.

XRD-patronen en XPS-spectra van de CdSSe NB's. een XRD. b XPS-spectrum van gesuperponeerde Cd (3d). c XPS-spectrum met hoge resolutie voor S (2p). d XPS-spectrum met hoge resolutie voor Se(3d)

Figuur 5 is het fotoluminescentiespectrum van CdSSe-nanobelts; er zijn twee pieken in het bereik van 500-1000 nm. De ene is gecentreerd op 603 nm en is afkomstig van de near-band-edge (NBE) -emissie van de CdSSe-nanobelts. De andere, gecentreerd op ~ 950 nm, houdt mogelijk verband met emissie op diep niveau, zoals wordt waargenomen in In₂ Se₃ en Ga₂ Se₃ [28, 29].

De PL-emissiespectra van CdSSe NB's

SEM- en CL-afbeeldingen van de enkele CdSSe-nanobelt worden beschreven in Fig. 6a, b. Het maakte duidelijk dat het oppervlak van de nanobelts vlak en glad is en dat de helderheid over de lengte heterogeen is. Figuur 6c, d is de ruimtelijke resolutie CL-spectra van dezelfde nanobelt bij kamertemperatuur (295 K) en lage temperatuur (93 K). Het benadrukte dat de CL-intensiteiten van de karakteristieke NBE op CdSSe NB van punt tot punt verschillen, en dat hun signaalruisverhouding niet goed is bij 295 K, terwijl de CL's sterk zijn met verschillende intensiteiten van punt tot punt bij 93 K. Dit resultaat komt goed overeen met het CL-beeld. Bovendien bevindt de karakteristieke piek zich op 625 nm, wordt geen defecte emissie waargenomen en is de intensiteit bij 93 K ongeveer 220 keer sterker dan die bij 295 K. Daarom heeft de CdSSe NB goede luminescentie-eigenschappen bij lage temperatuur.

SEM- en CL-afbeeldingen van een enkele CdSSe NB. een SEM. b CL. c CL bij 295 K. d CL bij 93 K

Figuur 7a is het SEM-beeld van het nanodevice, dat visualiseerde dat de CdSSe NB niet uniform in breedte is. De breedtes van de gemeten NB zijn 30,85 en 36 m en de lengte is 9,754 μm, zoals aangegeven in Fig. 7a. De ik –V kenmerken van het CdSSe NB-apparaat worden getoond in Fig. 7b onder donkere omstandigheden en witlichtverlichting met een vermogensdichtheid van 43,14 mW/cm ² . Zoals te zien is, neemt de fotostroom sterk toe onder de bestraling met wit licht, omdat het invallende licht elektron-gatparen produceert, waardoor de fotostroom verbetert. De lineaire vorm van I –V curve gaf aan dat goede ohmse contacten tussen de CdSSe NB- en Ti/Au-elektroden werden gevormd. De fotostroom is 1,6 × 10 ⁻⁷ A, en de donkerstroom is ongeveer 1,96 × 10 ⁻¹⁰ A. Daarom is de verhouding tussen fotostroom en donkerstroom 816. Afbeelding 7c is de I –V curve verkregen na het nemen van logaritme en ontdekte dat de fotostroom drie ordes van grootte hoger is dan zijn donkerstroom.

SEM-afbeelding en I –V curven van een enkele CdSSe NB-detector. een SEM. b Ik –V bochten onder donkere omstandigheden en witlichtverlichting met een vermogensdichtheid van 43,14 mW/cm ² . c Ik –V grafiek verkregen na het nemen van logaritme

Om de foto-elektronische eigenschappen van de apparaten verder te onderzoeken, hebben we de fotostroom van een enkel CdSSe NB-apparaat gemeten, zoals weergegeven in Fig. 8. Bij een aangelegde voorspanning van 1 V ligt de spectrale respons van het apparaat in het bereik van 600 tot 800 nm wordt weergegeven in Fig. 8a. Het is te zien dat de respons erg sterk is als de golflengte kleiner is dan 674 nm, en vervolgens zwakker en zwakker wordt als de golflengte meer dan 674 nm is. Afbeelding 8b geeft de gemeten I . weer –V curve onder verlichting van 674 nm licht met verschillende vermogensdichtheden. Het blijkt dat de fotostroom toeneemt met toenemende vermogensdichtheid, wat impliceert dat de efficiëntie van de door de foto gegenereerde drager evenredig is met het aantal geabsorbeerde fotonen [30]. De logaritmische grafiek die overeenkomt met figuur 8b is gemarkeerd in figuur 8c. Hieruit bleek dat het CdSSe NB-apparaat de beste respons heeft bij een vermogensdichtheid van 6,11 mW/cm ² . Figuur 8d is de relatie tussen de fotostroom en de optische vermogensdichtheid. Door de vermogensdichtheidsafhankelijke fotostroomwaarde van I . aan te passen _p = AP ^θ , waar ik _p is de fotostroom, P is de optische vermogensdichtheid, A is de golflengte-afhankelijke constante, de exponent θ bepaalt de fotostroomrespons met power [31], een goede match van de experimentele resultaten is verkregen met θ = 0,69. Rapporten over een niet-eenheidsexponent met 0,5 < θ < 1 suggereren een complex proces van elektron-gatgeneratie, recombinatie en opsluiting in het fotoactieve materiaal [32], terwijl de intensiteitsafhankelijkheid met θ <0,5 kan optreden als gevolg van defecte mechanismen, waaronder zowel recombinatiecentra als vallen. Daarom, θ = 0,69 betekent dat CdSSe nanobelt geen defecten heeft, wat in overeenstemming is met dat van HRTEM en CL.

De fotoresponseigenschappen van de detector van de CdSSe NB-detector. een Spectrale fotorespons gemeten bij een bias van 1 V. b Ik –V curve bij de excitatiegolflengte van 674 nm, een voorspanning van 1 V en verschillende vermogensdichtheden. c De logaritmische plot van b . d De relatie tussen de fotostroom en de optische vermogensdichtheid

Het is algemeen bekend dat de spectrale responsiviteit (R _λ ) en externe kwantumefficiëntie (EQE) zijn kritische parameters voor optische apparaten, die kunnen worden gedefinieerd als R _λ = Ik _ph /(P _λ S ) en EQE = hcR _λ /(qλ ), waar ik _ph is het verschil tussen de fotostroom en de donkere stroom, P _λ is de lichtvermogensdichtheid die op de nanobelt wordt uitgestraald, S is het effectieve verlichte gebied, c is de lichtsnelheid, h is de constante van Planck, q is de elektronische lading, en λ is de opwindende golflengte [33, 34]. We hebben de bijbehorende R . berekend _λ en EQE-waarden van het CdSSe NB-apparaat zijn 10,4 A/W en 19,1%.

Afbeelding 9a toont de tijdrespons van de CdSSe NB-detector, die wordt gemeten door het 674-nm-licht periodiek aan en uit te zetten met een intensiteit van 4,87 mW/cm ² bij een voorspanning van 1 V. Hieruit kunnen we zien dat het CdSSe NB-apparaat een goede omkeerbare stabiliteit vertoont bij schakeleigenschappen. Figuur 9b is de spanningstoename en -afname van een weerstand gemeten door de oscilloscoop. Het weerspiegelt de stijgtijd en de vervaltijd van de fotogeleiding van CdSSe NB. Met en zonder verlichting van 674 nm licht (4,87 mW/cm ² ), varieert de spanning van de resistente veranderingen. Het blijkt dat de stijg-/vervaltijd respectievelijk 1,62/4,70 ms is. We vergeleken belangrijke parameters van onze fotodetector met die van anderen op basis van enkele nanobelt of nanosheet (NS). Het blijkt dat de R _λ van het CdSSe NB-apparaat in dit werk is groter dan dat van andere nanostructuurfotodetectoren zoals CdS [34] en ZnS NB [35], BiO₂ Se [36], Gas [37], SnS [38] en Bi₂ S₂ NS [39]. De vervaltijd is korter dan die van ZnS NB [35] en GaSe NS [37], maar langer dan die van andere [34, 36, 38, 39], zoals samengevat in tabel 1, wat de mogelijke toepassing van de CdSSe bevestigt NB voor fotodetectieveld.

Stroom-tijdeigenschappen van enkele CdSSe NB-fotodetector bij 674 nm lichtverlichting met 4,87 mW/cm ² vermogensdichtheid onder 1 V bias. een Ik –t kenmerken met aan/uit schakelen. b De spanningsstijging en -daling van een pulsrespons