In2S3 Quantum Dots:voorbereiding, eigenschappen en opto-elektronische toepassing

Resultaten en discussie

Structuur- en morfologiestudies

TEM-afbeeldingen van de In₂ S₃ QD's worden getoond in Fig. 1b-e. Het is te zien dat In₂ S₃ QD's zijn gelijkmatig verdeeld en vertonen sferoïde morfologie. De deeltjesgrootteverdeling volgt de Gauss-verdeling met een grootte variërend van 1 tot 3 nm en een FWHM van 1,12 nm. Het deeltje heeft een gemiddelde grootte van 2,02 nm. Afbeelding 1c–e zijn HRTEM-afbeeldingen van de In₂ S₃ QD's die de roosterranden tonen voor d =0,271 nm, 0,311 nm en 0,373 nm, wat overeenkomt met het kubische kristalsysteem van respectievelijk 400, 222 en 220 roostervlakken [18]. Figuur 1i toont een langsprofiel van de roosterranden getoond in figuur 1d. Het snelle Fourier-transformatiepatroon (FFT) van het geselecteerde gebied (rood gestippeld vierkant) wordt getoond in het inzetstuk van Fig. 1d, dat zes heldere vlekken van de 400-vlakdiffractie onthult, wat de kristallijne structuur van het hexagonale systeem aangeeft. Het scanning elektronenmicroscopie (SEM) beeld van de in gereedheid gebrachte In₂ S₃ QDs wordt getoond in Fig. 1f. Zoals getoond, is de In₂ S₃ QD's zijn geagglomereerd om een ​​relatief compacte structuur te vormen om de oppervlakte-energie te verminderen. Röntgendiffractie (XRD)-vlakken op 400, 222 en 220 van de In₂ S₃ QD's worden getoond in Fig. 1g en de berekende deeltjesgrootte met behulp van de Sheer-formule komt goed overeen met de gemeten grootte van het 400-vlak van HRTEM-beeld. Figuur 1h toont het Raman-spectrum van de In₂ S₃ QD's met typische pieken van 304 cm ⁻¹ en 930 cm ⁻¹ [19]. Atoomkrachtmicroscopie (AFM) werd uitgevoerd op vier willekeurig geselecteerde In₂ S₃ QD's, gemarkeerd als A, B, C en D zoals weergegeven in Fig. 1j, met gemeten hoogten van respectievelijk 1,53 nm, 2,35 nm, 1,35 nm en 2,32 nm (getoond in Fig. 1k). De gemiddelde hoogte van 1,94 nm uit de AFM-meting ligt heel dicht bij die verkregen uit de TEM.

De geschatte band gap van In₂ S₃ QDs is 3,50 eV, wat groter is dan de bulkwaarde van 2,3 eV, vanwege het kwantumeffect. De band gap werd berekend met behulp van de Brus-vergelijking:

waar E _np is de bandgap van de QD's, E _g is de band gap van bulk In₂ S₃ (2,3 eV), \( \overline{h} \) =h/2π is de gereduceerde constante van Planck, e is de elektronenlading, m _e * is de effectieve massa van elektron, m _h ^* is de effectieve massa van het gat, m _e ^* =m _h ^* (0.25 × 10 ⁻²⁸ g), R is de straal van het deeltje en ε is de diëlektrische constante (ε = 11).

Figuur 2a toont ultraviolet-zichtbare (UV-vis) absorptiespectra van de In₂ S₃ QD's. Er zijn twee karakteristieke absorptiepieken bij 225 nm en 283 nm [20]. Sinds In₂ S₃ is een direct bandgap-materiaal, de optische bandgap kan worden uitgedrukt door de volgende vergelijking:

waar α is de absorptiecoëfficiënt, A is een constante, hv is de foto-energie, en Bijvoorbeeld is de band gap-energie.

een UV-vis absorptiespectra van In₂ S₃ QDs waterige oplossing. Inzet:een schatting van de bandgap-energie (E _g ). b PL emissiespectra. c PL excitatie (PLE) spectra, inzet:luminescentiebeeld onder zichtbare en 365 nm lichtbron. d Het XPS full-scan spectrum. e XPS S2p-spectrum. v XPS In3d_3/2 en In3d_5/2 spectrum

De band gap-energie van de QD's kan worden geschat op basis van de curve van (αhv ) ² vs. foto-energie (hv ). De geschatte E _g van 3,54 eV, zoals weergegeven in de inzet van Fig. 2a, ligt zeer dicht bij de berekende waarde met behulp van de Brus-vergelijking (E _np =3,50 eV). Fotoluminescentie (PL) en fotoluminescentie-excitatie (PLE) [21] studies werden uitgevoerd om de optische eigenschappen van de In₂ S₃ QD's. Uit figuur 2b blijkt dat er een emissiepiek is bij een golflengte tussen 300 en 450 nm, en de sterkste piekintensiteit is gecentreerd bij ~ -390 nm onder de excitatie van E _x =250 nm. PLE-spectra in Fig. 2c laten zien dat golflengten van de karakteristieke excitatiepieken korter zijn dan de ontvangende golflengten (500-540 nm). De verbreding van de energiekloof van In₂ S₃ QD's in vergelijking met het bulkmateriaal kunnen ook worden aangetoond door PL- en PLE-resultaten. De fluorescentie van de In₂ S₃ QD's onder zichtbaar licht en 365 nm UV-licht worden getoond in het inzetstuk van Fig. 2c. Dit toont aan dat de In₂ S₃ QD's hebben goede UV-fluorescentie-eigenschappen. Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) werd ook uitgevoerd om de chemische bindingen van de In₂ S₃ QD's. Afbeelding 2d toont het volledige XPS-scanspectrum, dat bestaat uit S2p bij 162,5 eV, In3d_5/2 bij 444,5 eV en In3d_3/2 bij 452,5 eV. Bovendien zijn er resterende Cl, Na, O en C van de oppervlakteactieve stof en reactant. Kernniveaupieken van S2p en In3d worden respectievelijk getoond in Fig. 2e, f. De gedeconvolueerde pieken onthullen de bindingstoestanden van S2p (In-S, C-S), In3d_5/2 . (In-S, In-O) en In3d_3/2 (In-S, In-O).

Als de In₂ S₃ QD's vertoonden uitstekende ultraviolet-absorptie-eigenschappen, UV-fotodetector gebaseerd op de In₂ S₃ QD's werden gefabriceerd en onderzocht. Het bereidingsproces wordt geïllustreerd in Fig. 3a.

een Schematisch diagram dat het fabricageproces van de In₂ . illustreert S₃ QDs UV fotovoltaïsche detector. b Elektrode zonder QD. c –d Optische microscopische beelden van de In₂ S₃ QDs fotodetector bij verschillende vergrotingen. e –u Prestaties van de In₂ S₃ QDs-detector. e J-V bochten. v Logboek (J)-V bochten. g R (responsiviteit)-V bochten. u D*

De specificatie van de Au interdigitated elektroden is vergelijkbaar met die gerapporteerd door Tang. et al. [22], bestaande uit elektroden met een dikte van 400 nm, een lengte van 120 m en een breedte en afstand van 10 m. Figuur 3b toont een optisch beeld van lege elektroden. Fig. 3c, d toont de optische microscopische afbeeldingen die de afstand van de elektroden tonen gevuld met de In₂ S₃ QD's, die fungeerden als een lichtgevoelige laag. De gemeten stroomdichtheid tegen spanning (J -V ) en log (J -V ) krommen van het apparaat in donkere toestand, bestraald met 0,16 mW cm ⁻² en 0,47 mW cm ⁻² vermogensdichtheid van 365 nm UV-licht worden respectievelijk getoond in Fig. 3e, f. Een toename van de stroomdichtheid wordt waargenomen wanneer de bestraalde vermogensdichtheid toeneemt, waardoor de kenmerken van een gelijkrichter worden aangetoond. De responsiviteit (R ) en detectiviteit (D* ) van de fotodetector worden berekend met behulp van de volgende vergelijkingen:

waar J _ph is de fotostroomdichtheid, P _opt. is de vermogensdichtheid van de foto, q is de absolute elektronenlading (1,6 × 10 ⁻¹⁹ coulombs), en J _d is de donkere stroomdichtheid [23]. Uit Fig. 3g, de maximale waarde van R is 4.13 A W ⁻¹ , die aanzienlijk groter is dan die van grafeen en veel andere tweedimensionale nanomateriaalapparaten [24, 25] en wordt gezien als een toename van de sperspanning. Zoals getoond in Fig. 3h, is de D* is gestabiliseerd rond 10 ¹³ Jones.

een Fotodetector met In₂ S₃ QD's als een actieve laag. b Plot van R-T bij 1 V en 2 V. c Perceel van ln (ρ)-1/T- gebaseerde apparaten op 1 V. d C-F curven gemeten bij kamertemperatuur. e De C-V curves (40 MHz) gebaseerde fotodetector in de donkere toestand. v Variatie van de capaciteit met aangelegde spanningen en grafieken van 1/C ² tegen. V van het apparaat

De optische beelden van lege elektroden en die gevuld met In₂ S₃ QD's worden getoond in Fig. 4a. De plot van R -T gemeten vanaf de In₂ S₃ Op QDs gebaseerde fotodetector bij een spanning van 1 V en 2 V wordt getoond in Fig. 4b. Het laat zien dat een stijging van de temperatuur heeft geleid tot een afname van de weerstand; het vertoont echter geen eenvoudig lineair verband. Om de elektrische eigenschappen van de In₂ . te begrijpen S₃ QD's, de ln(ρ) -1/T van het apparaat werd bereikt en de resultaten worden getoond in Fig. 4c. Door de twee modelvergelijkingen [26] te gebruiken:

waar N is het aantal interdigitale elektroden, w is de overlappende lengte, l is de afstand, en d is de dikte van de film [27]. Met behulp van een eenvoudige lineaire regressie wordt de berekende thermische activeringsenergie (E _een ) is 0,011 eV en de vingerleidende factoren (A ) is 4,16 × 10 ⁸ °cm. De thermische activeringsenergie van In₂ S₃ QD's kunnen worden verminderd zolang de verkregen energie voldoende is voor de dragers om deel te nemen aan geleiding, wat kan resulteren in een lagere soortelijke weerstand en een hogere geleidbaarheid.

Over het algemeen C -V metingen kunnen veel belangrijke informatie opleveren over de aard van de halfgeleiderinterface en het ladingstransport. Fig. 4d laat zien dat de capaciteit afneemt met toenemende frequentie en de afname in capaciteit significant is bij lage frequenties. Dit komt door de interfacestatussen, die reageren op het wisselstroomsignaal, en de aanwezigheid van de interfacestatussen zou het AC-signaal bij hoge frequentie onderdrukken, wat resulteert in een verzwakte trend of een constante capaciteit. Afbeelding 4e toont de C-V curven van de In₂ S₃ QDs-gebaseerde fotodetector bij kamertemperatuur met een frequentie van 40 MHz. De C-V relatie onder een bias kan worden uitgedrukt als [28]

waar V _twee is de ingebouwde potentiaal bij nul bias, ε ₀ is de permittiviteit van vacuüm, ε_r is de relatieve permittiviteit van een materiaal, N is de dragerconcentratie in de uitputtingslaag en S is het lichtgevoelige gebied (3,3 mm ² ). Het x-snijpunt is V _twee =0,6 V, en de dragerconcentratie N kan worden berekend uit de helling van de lineaire sectie van 1/C ² vs. V plot [29]:\( N=\frac{-2}{q{\varepsilon}_0{\varepsilon}_r{A}^2}{\left[\frac{\partial \left({C}^{ -2}\right)}{\partial V}\right]}^{-1} \), en de berekende N =4.3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . De uitputtingsbreedte (W _d ) zit tussen de elektrode en de In₂ S₃ QDs-laag, uitgedrukt als \( {W}_d={\left[\frac{2{\varepsilon}_0{\varepsilon}_r\left({V}_{bi}-V\right)}{qN}\ rechts]}^{1/2} \), de berekende W _d = 12,34 nm. Deze fysieke parameters worden getoond in figuur 4f. Het is duidelijk dat de V _twee en W _d zijn hetzelfde als vergelijkbare QDs-apparaten (zoals de grafeenquantumdots) [30], maar de N is een orde van grootte groter bij nul bias. Dit verklaart de uitstekende prestaties van het apparaat in vergelijking met andere QD's [31].