Hoog-presterende golflengte-selectieve fotodetector met een enkele CdSSe nanoribbel

Samenvatting

CdSSe nanoribbels (NRs) worden gesynthetiseerd door thermische verdamping en vervolgens gekarakteriseerd door scanning elektronenmicroscopie (SEM), röntgendiffractie (XRD), transmissie elektronenmicroscopie (TEM), hoge-resolutie elektronenmicroscopie (HRTEM), röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS), fotoluminescentie (PL) en kathodoluminescentie (CL). Er wordt gevonden dat de CdSSe NRs een goede morfologie en microstructuur hebben zonder defecten. CL is gevoelig voor de defecten van CdSSe NRs; dus kunnen we een enkele nanoribbel met homogene CL-emissie selecteren om een detector te prepareren. Op basis hiervan werd de fotodetector van een enkele CdSSe nanoribbel ontwikkeld en de foto-elektrische eigenschappen in detail onderzocht. Het blijkt dat onder verlichting van wit licht en bij een bias spanning van 1 V, de fotostroom van een enkele CdSSe nanoribbel toestel 1,60 × 10⁻⁷ A is, de donkerstroom 1,96 × 10⁻¹⁰ A, en de verhouding van lichtstroom tot donkerstroom 816. Bovendien heeft de CdSSe nanoribbel detector hoge foto-elektrische prestaties met een spectrale responsiviteit van 10,4 A/W en externe kwantumefficiëntie (EQE) van 19,1%. De opstijg/afvaltijd is ongeveer 1,62/4,70 ms. Dit werk biedt een nieuwe strategie voor het ontwerpen van golflengte-gecontroleerde fotodetectoren door hun samenstelling aan te passen.

Achtergrond

Recent zijn halfgeleider nanomaterialen breed bestudeerd als opto-elektronische toestellen, zoals lichtemitterende diodes [1, 2], fotovoltaïsche toestellen [3], zonnecellen [4, 5], electrokatalytische H₂ generatie [6, 7] en fotodetectoren [8,9,10]. CdS en CdSe zijn II-VI halfgeleider materialen met de bandkloof bij kamertemperatuur van respectievelijk 2,42 en 1,74 eV. Ze worden beschouwd als de beste materialen voor de fabricage van fotodetectoren vanwege hun bandkloof die overeenkomt met de absorptiegolflengte in het zichtbare lichtgebied [11, 12].

Eendimensionale nanostructuren zoals nanodraden [13], nanoribbels [14] en nanotubes [15] zijn gebruikt in sensoren en fotodetectoren vanwege hun hoge oppervlakte-tot-volume verhoudingen, fysieke en chemische eigenschappen [16]. Onder hen zijn sommige nanostructuren zoals ZnO [17], CdS [18], CdSe [19], MoS₂ [20], ZnₓCd₁₋ₓSe [21], CdS₁₋ₓSeₓ [22] en ZnₓCd₁₋ₓS [23] gebruikt in de fabricage van fotodetectoren. Pan et al. rapporteerden dat de fotodetector gebaseerd op CdS₀,₄₉Se₀,₅₁/CdS₀,₉₁Se₀,₀₉ heterostructuur een goede prestatie heeft [24]. Echter, het ontwikkelen van een hoge responsiviteit en selectiviteit detector met uitstekende prestaties blijft een uitdaging.

In dit werk werden de CdSSe nanoribbels (NRs) gesynthetiseerd door thermische verdamping. We ondernemen de fabricage en karakterisatie van een enkel CdSSe toestel. Daarna werden de foto-elektrische eigenschappen van een enkel CdSSe NR toestel systematisch onderzocht. Op basis hiervan voerden we de kathodoluminescentie (CL) van CdSSe NR bij kamertemperatuur en lage temperatuur uit en vonden dat CL gevoelig is voor de defecten van CdSSe NRs. Daarom kiezen we nanoribbels met perfecte microstructuren om toestellen te ontwerpen door CL zodat ze onze gewenste eigenschappen kunnen bereiken.

Methoden

Bereiding van CdSSe nanoribbels

Eenkristallijne CdSSe NRs werden bereid door thermische verdamping. Voor de synthese van CdSSe NRs werd het mengsel van zuivere CdS poeders (99,99 wt%) en CdSe poeders (9,99 wt%) voorgemengd in het gewichtsverhouding van 1:1 in een keramische schuit geplaatst. De keramische schuit werd in het midden van de kwartsbuis geplaatst. Een silicium substraat bedekt met ongeveer 10-nm Au film werd in de buis geplaatst; de afstand van silicium substraat en keramische schuit was ongeveer 5–7 cm. De oven werd verwarmd tot 820 °C en daarna 2 uur gehandhaafd. Uiteindelijk koelde de oven natuurlijk af tot kamertemperatuur. De nanoribbels met verschillende samenstellingen werden afgedeponeerd op verschillende posities van het Si substraat. In het gehele experiment werd Ar gas gevloeid met 20 sccm, en de druk binnen de buis werd gehandhaafd bij 112 Torr.

Materiaal karakterisatie

De morfologie, structuur en samenstelling van de nanoribbels werden gekarakteriseerd door scanning elektronenmicroscopie (SEM), röntgendiffractie (XRD), transmissie elektronenmicroscopie (TEM), hoge-resolutie elektronenmicroscopie (HRTEM) en röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS). De PL spectra werden gemeten onder 532-nm laser excitatie. CL spectra van CdSSe NRs werden gemeten bij kamertemperatuur en lage temperatuur door een kathodoluminescentie (CL) (Gatan monocle CL4) systeem geïnstalleerd op de scanning elektronenmicroscopie (Quanta FEG 250).

Fabricage van nanoribbel toestel

Ti/Au elektroden werden afgedeponeerd op de twee uiteinden van een enkele nanoribbel gedispergeerd op Si substraat met een 500-nm-dikke SiO₂ laag, en daarna werd het toestel verkregen. Het gedetailleerde fabricageproces van de toestellen wordt verwezen in de literatuur [25]. Het onbedekte deel van de nanoribbels werd blootgesteld aan het invalsende licht. Figuur 1 is het schematische diagram van de toesteltoets.

Foto-elektrische karakterisatie

De meting van de foto-elektrische prestaties van nanoribbels werd uitgevoerd door Keithley 4200 halfgeleidersysteem en de monochromatische spectrometer. De fotostroom van het toestel werd gemeten door het invalsende licht verticaal te bestralen op het toestel, en I–V curven werden uitgevoerd door een twee-punt meting.

Resultaten en discussie

Figuur 2a toont een SEM afbeelding van de als-gemaakte CdSSe NRs. Het blijkt dat de CdSSe NRs een goede morfologie en uniforme breedte en lengtes tot honderden micrometers hebben. Figuur 2b is een hoge vergrotings SEM afbeelding van de CdSSe nanoribbels. Het wordt waargenomen dat de nanoribbel dun en uniform is met 2,632 µm in breedte. Figuur 2c en zijn inset tonen het TEM helder-veld beeld en geselecteerd-gebied diffractie (SAD) patroon van een enkele nanoribbel met een breedte van 2,94 µm en dikte van minder dan 50 nm. Het SAD patroon bevestigt de einkristalkwaliteit, en kan geïndexeerd worden naar een hexagonale structuur met roosterparameters a = 4,177 Å en c = 6,776 Å. De corresponderende HRTEM afbeelding wordt getoond in Fig. 2d, en de roosterafstand tussen aangrenzende vlakken is 0,34 nm, overeenkomend met het (110) kristalvlak. Dienovereenkomstig is de groeirichting langs [110].

EDX en mapping van de CdSSe nanoribbels worden getoond in Fig. 3. SEM afbeelding van een monster bij lage vermenigvuldiging wordt getoond in Fig. 3a. Het wordt waargenomen dat het gehele gebied bedekt is met nanoribbels. Figuur 3b is de totale verdelingen van Cd, S en Se. De mappings van Cd, S en Se elementen worden afgebeeld in Fig. 3c–e, respectievelijk. Het onthulde dat Cd, S en Se uniform verdeeld zijn in de gehele nanoribbels. EDX spectrum verzameld van dezelfde nanoribbels wordt gepresenteerd in Fig. 3f, wat aangeeft dat de nanoribbel samengesteld is uit Cd, S en Se elementen.

XRD en XPS patroon van CdSSe NRs worden gepresenteerd in Fig. 4. Alle diffractiepieken kunnen geïndexeerd worden naar een hexagonale structuur van CdS₀,₇₆Se₀,₂₄ met roosterparameters a = 4,177 Å en c = 6,776 Å, wat consistent is 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°) matched met het kristalvlak (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) en (201), respectievelijk. Geen andere onzuiverheden worden gedetecteerd. De scherpe en smalle diffractiepieken onthulden dat de verkregen CdSSe nanoribbels een goede kristalliniteit hebben. Figuur 4b toont de bindingenergieën van Cd3d₅/₂ en Cd3d₃/₂ voor de CdSSe NRs bij 404,8 en 411,7 eV, respectievelijk, wat dichtbij de waarden ligt gerapporteerd in eerdere werk [26]. De scheidingsafstand tussen twee pieken is 6,9 eV, wat aangeeft dat Cd atomen in de complete CdS fase zijn [27]. De deconvolutie van de S(2p) piek toont twee Gaussiaanse pieken, gecentreerd bij 160,7 en 165,1 eV in Fig. 4c. De valentie-elektron spectra van Se(3d) wordt afgebeeld in Fig. 4d, waarin slechts één piek gelegen bij 53,5 eV werd waargenomen. Daarom bevestigen de XPS resultaten dat de nanoribbels samengesteld zijn uit Cd, S en Se elementen.

Figuur 5 is het fotoluminescentie spectrum van CdSSe nanoribbels; er zijn twee pieken in het bereik van 500–1000 nm. Een is gecentreerd bij 603 nm afkomstig van de near-band-edge (NBE) emissie van de CdSSe nanoribbels. De andere gecentreerd bij ~950 nm kan gerelateerd zijn aan diep-niveau emissie, wat waargenomen wordt in In₂Se₃ en Ga₂Se₃ [28, 29].

SEM en CL beelden van de enkele CdSSe nanoribbel worden beschreven in Fig. 6a, b. Het verduidelijkt dat het oppervlak van de nanoribbels glad en glad is en de helderheid heterogeen is langs zijn lengte. Figuur 6c, d is de ruimtelijke resolutie CL spectra van dezelfde nanoribbel bij kamertemperatuur (295 K) en lage temperatuur (93 K). Het benadrukt dat de CL intensiteiten van de karakteristieke NBE op CdSSe NR verschillen van punt tot punt, en hun signaal-ruis verhouding is niet goed bij 295 K, terwijl de CLs sterk zijn met verschillende intensiteiten van punt tot punt bij 93 K. Dit resultaat is in goede overeenstemming met de CL afbeelding. Bovendien is de karakteristieke piek gelegen bij 625 nm, geen defectemissie wordt waargenomen, en de intensiteit bij 93 K is ongeveer 220-voudig sterker dan die bij 295 K. Daarom heeft de CdSSe NR goede luminescente eigenschappen bij lage temperatuur.

Figuur 7a is de SEM afbeelding van het nanotoestel, wat visualiseerde dat de CdSSe NR niet uniform in breedte is. De breedtes van de gemeten NR zijn 30,85 en 36 µm en de lengte is 9,754 µm, gemarkeerd in Fig. 7a. De I–V karakteristieken van het CdSSe NR toestel wordt getoond in Fig. 7b onder donkere condities en wit lichtverlichting met vermogensdichtheid van 43,14 mW/cm². Zoals te zien is, neemt de fotostroom sterk toe onder de wit lichtbestraaling, omdat het invalsende licht elektronen-gat paren produceert, wat de fotostroom verbetert. De lineaire vorm van de I–V curve gaf aan dat goede ohmische contacten tussen de CdSSe NR en Ti/Au elektroden gevormd waren. De fotostroom is 1,6 × 10⁻⁷ A, en de donkerstroom is ongeveer 1,96 × 10⁻¹⁰ A. Daarom is de verhouding van fotostroom tot donkerstroom 816. Figuur 7c is de I–V curve verkregen na logaritme te nemen en vond dat de fotostroom hoger is bij drie ordes van grootte dan de donkerstroom.

Om de foto-elektronische eigenschappen van de toestellen verder te verkennen, maatten we de fotostroom van een enkel CdSSe NR toestel, zoals getoond in Fig. 8. Bij een aangelegde bias spanning van 1 V, wordt de spectrale respons van het toestel in het bereik van 600 tot 800 nm getoond in Fig. 8a. Het is te zien dat de respons zeer sterk is als de golflengte minder dan 674 nm is, en dan zwakker en zwakker wordt wanneer de golflengte meer dan 674 nm is. Figuur 8b presenteert de gemeten I–V curve onder verlichting van 674 nm licht met verschillende vermogensdichtheden. Het blijkt dat de fotostroom toeneemt met toenemende vermogensdichtheid, wat impliceert dat de fotogegenereerde drager efficiëntie evenredig is met het aantal geabsorbeerde fotonen [30]. De logaritmische plot corresponderend met Fig. 8b wordt benadrukt in Fig. 8c. Het onthulde dat het CdSSe NR toestel de beste respons heeft bij een vermogensdichtheid van 6,11 mW/cm². Figuur 8d is de relatie tussen de fotostroom en de optische vermogensdichtheid. Door de vermogensdichtheid-afhankelijke fotostroomwaarde van Iₚ = AP^θ te fitten, waar Iₚ de fotostroom is, P de optische vermogensdichtheid, A de golflengte-afhankelijke constante, de exponent θ de fotostroomrespons met vermogen bepaalt [31], is een goede fit van de experimentele resultaten verkregen met θ = 0,69. Rapporteren over een non-uniteit exponent met 0,5 < θ < 1 suggereren een complex proces van elektronen-gat generatie, recombinatie en vangen binnen het fotoactieve materiaal [32], terwijl de intensiteitsafhankelijkheid met θ < 0,5 kan ontstaan door defectmechanismen, inclusief zowel recombinatiecentra als vallen. Daarom betekent θ = 0,69 dat de CdSSe nanoribbel geen defecten heeft, wat in overeenstemming is met HRTEM en CL.

Het is bekend dat de spectrale responsiviteit (R_λ) en externe kwantumefficiëntie (EQE) kritische parameters zijn voor optische toestellen, welke gedefinieerd kunnen worden als R_λ = I_ph/(P_λ S) en EQE = hcR_λ/(qλ), waar I_ph het verschil is tussen de fotostroom en donkerstroom, P_λ de lichtvermogensdichtheid bestraald op de nanoribbel, S de effectieve verlichte oppervlakte, c de lichtsnelheid, h de constante van Planck, q de elektronische lading en λ de excitatiegolflengte [33, 34]. We berekenden de corresponderende R_λ en EQE waarden van het CdSSe NR toestel als 10,4 A/W en 19,1%.

Figuur 9a toont de tijdrespons van de CdSSe NR detector, gemeten door periodiek aan en uit te schakelen van het 674-nm licht met een intensiteit van 4,87 mW/cm² bij een bias spanning van 1 V. Daaruit kunnen we zien dat het CdSSe NR toestel een goede reversibele stabiliteit vertoont op schakelingseigenschappen. Figuur 9b is de spanning opstijg- en afvalflank van een weerstand gemeten door de oscilloscoop. Het reflecteert de fotoconductantie opstijgtijd en afvaltijd van CdSSe NR. Met en zonder verlichting van 674-nm licht (4,87 mW/cm²), verandert de spanning van de weerstand. Het is te zien dat de opstijg/afvaltijd 1,62/4,70 ms is, respectievelijk. We vergeleken belangrijke parameters van onze fotodetector met die van anderen gebaseerd op enkele nanoribbel of nanosheet (NS). Het blijkt dat de R_λ van het CdSSe NR toestel in dit werk groter is dan die van andere nanostructuur fotodetectoren zoals CdS [34] en ZnS NR [35], BiO₂Se [36], GaSe [37], SnS [38] en Bi₂S₂ NS [39]. De afvaltijd is korter dan die van ZnS NR [35] en GaSe NS [37], maar langer dan die van anderen [34, 36, 38, 39], zoals samengevat in Tabel 1, wat het potentieel van de CdSSe NR voor het fotodetective veld bevestigt.

Conclusies

Samengevat, CdSSe NRs werden gekweekt in een hoge-temperatuur oven door thermische verdamping. De verkregen nanoribbels werden gekarakteriseerd door diverse methoden. Het blijkt dat de CdSSe NRs een perfecte microstructuur hebben zonder enige defecten en de nanoribbels samengesteld zijn uit Cd, Se en S elementen. De CL resultaten onthulden dat de intensiteit van een enkele CdSSe nanoribbel bij lage temperatuur (93 K) sterker is dan die bij kamertemperatuur (295 K), en de signaal-ruis verhouding is beter bij 93 K. Daarna ontwikkelden we de CdSSe fotodetector gebaseerd op enkele NR en bestudeerden de opto-elektronische eigenschappen. De detector bereikte hoge prestaties met responsiviteit van 10,4 A/W, opstijg/afvaltijd van 1,62/4,70 ms en externe kwantumefficiëntie (EQE) van 19,1% bij 674 nm, wat goede stabiliteit en herhaalbaarheid in de foto-elektronische eigenschappen heeft. Dit werk baant de weg naar het ontwikkelen van continue-golflengte zichtbare fotodetectoren door de samenstelling aan te passen.

Afkortingen

CL:

Kathodoluminescentie

EDX:

Energie-dispersieve röntgen

EQE:

Externe kwantumefficiëntie

HRTEM:

Hoge-resolutie elektronenmicroscopie

NR:

Nanoribbel

NBE:

Near-band-edge

NS:

Nanosheet

PL:

Fotoluminescentie

R_λ:

Responsiviteit

SAD:

Geselecteerd-gebied diffractie

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie (SEM)

TEM:

Transmissie elektronenmicroscopie

XPS:

Röntgenfoto-elektronspectroscopie

XRD:

Röntgendiffractie