Bi₂O₂Se nanofilms leveren uitzonderlijke nabij-infrarood fotodetectie: 101 A/W responsiviteit, 30 ms responstijd, 20.300% quantum efficiëntie

Samenvatting

De nabij-infrarood (NIR) foto-elektrische eigenschappen van meervoudige Bi₂O₂Se nanofilms werden systematisch bestudeerd in dit artikel. Meervoudige Bi₂O₂Se nanofilms demonstreren een gevoelige fotorespons op NIR, inclusief een hoge fotoresponsiviteit (~ 101 A/W), een snelle responstijd (~ 30 ms), een hoge externe quantum efficiëntie (~ 20.300%), en een hoge detectiesnelheid (1,9 × 10¹⁰ Jones). Deze resultaten tonen aan dat het apparaat gebaseerd op meervoudige Bi₂O₂Se nanofilms grote potentie kan hebben voor toekomstige toepassingen in ultrasnelle, hooggevoelige NIR opto-elektronische apparaten.

Achtergrond

Infrarood (IR) fotodetectoren zijn breed onderzocht en bestudeerd sinds hun delikate toepassingen in militaire, commerciële, publieke, en academische domeinen [1,2,3]. In het afgelopen decennium zijn tweedimensionale (2D) materialen, bijvoorbeeld grafeen, overgangmetaal-dichalcogeniden (TMDs), en zwart fosfor, gegroeid als veelbelovende kandidaten met grote potentie voor infrarood toepassingen [4,5,6,7,8,9]. Vanwege de intrigerende eigenschappen van 2D materialen, inclusief de ultra-dunne dikte, hoge mechanische flexibiliteit, geschikte en afstelbare bandkloof, ultrasnelle opto-elektronische kenmerken, en gemakkelijk af te stellen van der Waals heterostructuren, zijn 2D gelaagde materialen beschouwd als de competitieve IR media voor next-generation fotodetectoren [10,11,12].

Zeer recent werd gelaagd bismuth-oxy-selenide (Bi₂O₂Se) ontdekt als een veelbelovende 2D halfgeleider met hoge elektronenmobiliteit, ultrasnelle fotorespons, uitstekende omgevingsstabiliteit, en gemakkelijke toegankelijkheid tot grote productie via een eenvoudige chemische dampdepositie (CVD) methode, wat het aantrekkelijk maakt voor elektronische en opto-elektronische toepassingen [7, 8, 13,14,15]. Eerder rapporteerden He Jun et al. [7] en Peng Hailin et al. [8] achtereenvolgens dat Bi₂O₂Se uitstekende foto-elektrische eigenschappen bezat voor nabij-infrarood (NIR). Echter, richtten ze zich voornamelijk op dunne-laag Bi₂O₂Se (dikte ~ 7 nm). Eerdere studies met betrekking tot andere 2D materialen, zoals MoS₂ [16] en MoSe₂ [17, 18], toonden aan dat meervoudige nanoflakken ook een extraordinaire foto-elektrische prestatie bezaten vergeleken met mono-laag of dunne-laag. In feite kan meervoudige Bi₂O₂Se meer aantrekkelijk zijn dan dunne-laag Bi₂O₂Se voor FET-toepassingen in de dunne-film transistor (TFT) configuratie [16, 19]. Bijvoorbeeld, de toestandsdichtheid in meervoudige Bi₂O₂Se is veel hoger dan in dunne-laag Bi₂O₂Se, wat aanzienlijk hoge dryfstromen in de ballistische limiet kan produceren [13, 14]. In lange-kanaal TFTs, kunnen meerdere geleidingskanalen worden gecreëerd door veld-effecten in meervoudige Bi₂O₂Se, wat de stroomdryf van TFTs kan versterken, vergelijkbaar met silicon-on-isolator MOSFETs [19]. Bovendien biedt meervoudige Bi₂O₂Se een breder spectraal respons dan dunne-laag Bi₂O₂Se, vanwege de nauwere bandkloof, wat voordelig kan zijn in een verscheidenheid van fotodetector toepassingen [20]. Toch zijn meervoudige Bi₂O₂Se-gebaseerde fotodetectoren niet uitgebreid bestudeerd voor gebruik in elektronica of opto-elektronica.

Daarom werden de NIR foto-elektrische eigenschappen van meervoudige Bi₂O₂Se (dikte ~ 30 nm) systematisch bestudeerd in dit artikel. Meervoudige Bi₂O₂Se-gebaseerde fotodetector demonstreert een ultra-gevoelige fotorespons van 850 tot 1550 nm met een goede reproduceerbaarheid bij kamertemperatuur. De fotoresponsiviteit bereikt 101 A/W bij 1000 nm, samen met een snelle stijgtijd en een vallende tijd van 30 ms en 60 ms, respectievelijk. Vergeleken met dunne-laag Bi₂O₂Se, heeft meervoudige Bi₂O₂Se hogere fotoresponsiviteit en externe quantum efficiëntie, terwijl nog steeds een relatief snelle responstijd en hoge detectiesnelheid behoudt. Daarnaast vertoont de fotostroom een lineaire afhankelijkheid van de incidentale vermogen, wat een goede afstelbaarheid biedt voor multi-doeleinde toepassingen. Deze resultaten bieden de kansen voor de ontwikkeling van de volgende generatie ultra-gevoelige hoge-prestaties NIR kamertemperatuur fotodetectoren.

Methoden

Groei en karakterisatie van Bi₂O₂Se

De Bi₂O₂Se nanofilms werden gesynthetiseerd via een chemische dampdepositie (CVD) methode. Bi₂O₃ en Bi₂Se₃ (Alfa Aesar) werden geplaatst in het midden van de horizontale buisoven (Lindberg/Blue M), en de mica substraat (Tiancheng Fluorphlogopite Mica Company Ltd., China) werden downstream geplaatst als substraat. De oven werd eerst verwarmd tot 640 °C met opheffingssnelheid van 30 °C min⁻¹ en 60 min gehouden met een argongasstroom. Uiteindelijk werd de oven natuurlijk afgekoeld tot kamertemperatuur. De gesynthetiseerde monsters werden gekarakteriseerd door optische microscoop (Olympus BX51), Raman-spectrum (WiTec 300R), atoommachtmicroscoop (semi-contact modus, NT-MDT bedrijf) scanning elektronenmicroscoop (FEI bedrijf). Hier werd 10-nm aluminium eerst thermisch verdampt om het laad-effect van mica substraat te vermijden vóór SEM-karakterisatie.

Apparaat fabricage

De fotodetector gebaseerd op meervoudige Bi₂O₂Se werd geproduceerd door een standaard micro-nano technologie. De bron en drain contacten werden gedefinieerd door e-bundel lithografie en gevolgd door het depositie van een 5 nm Cr/50 nm Au metaalstapel toepassend e-bundel verdamping. Let op dat, om de lading accumulatie op mica substraat tijdens EBL-proces te voorkomen, geleidende polymere fotoweerstand (SX AR-PC-5000) werd gespindoop op mica vóór het EBL-proces. Uiteindelijk werd het apparaat gebonden op de chipdrager voor verdere foto-elektrische meting.

Prestatie meting

De fotostroommetingen werden uitgevoerd door een zelfgemaakte xenonlamp (lichtbron: BETICAL HDL-II) foto-detectie platform. In de meting werd Keithley 2450 gebruikt om de bron-drain bias te leveren. Door het aan/uit schakelen van het licht, werden de drainstromen in aan/uit toestanden verzameld. De foto-elektrische respons van het apparaat bij verschillende golflengtes (850-1550 nm) kon worden verkregen door verschillende filters te substitueren.

Resultaten en discussie

Zoals Fig. 1a illustreert, toont gelaagde Bi₂O₂Se een tetragonale structuur met I4/mmm ruimtegroep, en bestaat uit planaire covalente gebonden oxide lagen (Bi₂O₂) ingesloten door Se vierkante arrays met relatief zwakke electrostatische interacties [21]. Dit type structuur is vergelijkbaar met mica. Daarom worden tweedimensionale Bi₂O₂Se nanofilms allemaal gesynthetiseerd op de mica substraat door chemische dampdepositie (CVD) methode tot nu toe [7, 14, 15]. Figuur 1b illustreert een groot gebied optische visie van as-gegroeide meervoudige Bi₂O₂Se nanofilms op mica. Het is duidelijk zichtbaar dat de nanofilms uniform zijn en bijna rechthoekige vormen presenteren. Een atoommachtmicroscoop (AFM) afbeeldingen van Bi₂O₂Se nanofilms in ons experiment worden weergegeven in Fig. 1c. Volgens de theoretische dikte van mono-laag (≈ 0,61 nm) [14, 15], is 30 nm (Fig. 1d) gelijk aan de dikte van ongeveer 49 lagen. Figuur 1e toont de XRD-patronen van Bi₂O₂Se nanofilms. Onderscheidbare pieken worden alle toegeschreven aan (00l) diffractievlakken van Bi₂O₂Se (de kristallografische oriëntatie is langs c-as), consistent met eerdere studies [14]. De karakteristieke A_1g piek van Bi₂O₂Se kan worden gevonden bij ≈ 159,1 cm⁻¹ in het Raman-spectrum (Fig. 1f), wat in goede consistentie is met eerdere rapporten [22]. Figuur 1g toont de typische I-V kromme van Bi₂O₂Se apparaat. Uitstekende lineaire I-V kromme geeft aan dat ohmische contacten zijn gevormd. Daarnaast demonstreert 2D Bi₂O₂Se-gebaseerde fotodetector een uitstekende omgevingsstabiliteit, wat een cruciale maatstaf is voor toekomstige praktische toepassingen [14, 15]. Uit Fig. 1h is de gemeten lengte en breedte van het apparaat 29 μm en 91 μm, respectievelijk.

Zoals Fig. 2a toont, werd de foto-elektrische respons van meervoudige Bi₂O₂Se-gebaseerde fotodetector op NIR bewust gemeten. Hier bespreken we voornamelijk de prestaties van het apparaat in de telecommunicatieband (1550 nm), die breed wordt toegepast in militaire, commerciële, publieke, en academische domeinen. Uit Fig. 2b kan worden gezien dat I_DS duidelijk groeit naarmate de lichtintensiteit toeneemt. Bovendien demonstreert de I-V kromme van het apparaat onder verlichting geen duidelijke open-kring spanning en kortsluitingsstroom. Dit feit geeft aan dat de Schottky-barrière gevormd tussen de elektrode en het materiaal geen cruciale rol speelt in de transportkarakteristiek van het apparaat. Daarom moet de foto-elektrische respons van het materiaal voornamelijk afkomstig zijn van het fotoconductieve effect [10].

Om de prestaties van de fotodetectoren te evalueren, zijn fotoresponsiviteit (R), externe quantum efficiëntie (η), en detectiviteit (D*) cruciale parameters die kunnen worden berekend door de volgende formules [10, 17]:

R = I_ph/PS (1)

η(λ) = R_λhc/qλ (2)

D* = I_ph/P(2qSI_d)^1/2 (3)

waarbij I_ph de fotostroom is (het verschil van de drainstroom tussen verlichte (I_i) en donkere (I_d) toestanden), P de lichtintensiteit, S het effectieve oppervlak, h de constante van Planck, c de lichtsnelheid, λ de golflengte van het licht, en q de elektronische lading. Hier nemen we aan dat de donkerstroom de grootste bijdrager is aan de schotruis, dus afgeleid tot 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 Fig. 2c, heeft het apparaat een zeer stabiele en herhaalbare fotorespons op 1550 nm licht na diverse cycli. De responstijd is extreem snel en kan 30 ms in stijging en 60 ms in val bereiken, respectievelijk. Dit is te wijten aan het feit dat as-gegroeide ultradunne Bi₂O₂Se nanofilms geen oppervlakte valkuilstatussen en ondiepe defectenergieniveaus hebben. Uiteindelijk, zoals weergegeven in Fig. 2d, neemt I_ph monotoon toe met P toenemend, volgende een relatie I~P^α. Hier wordt α afgeleid als 0,99 voor Bi₂O₂Se door het passen van de experimentele gegevens, wat suggereert dat de fotostroom voornamelijk wordt bepaald door de hoeveelheden geabsorbeerde fotonen [7]. De fotoresponsiviteit van meervoudige Bi₂O₂Se-gebaseerde fotodetectoren is rond 68 A/W, wat een extreem hoge prestatie vertoont als fotodetector.

Vervolgens werd de foto-elektrische responsprestatie van meervoudige Bi₂O₂Se-gebaseerde fotodetector naar de NIR golflengtes (850-1550 nm) systematisch bestudeerd. Volgens de berekening door genoemde formules (1)-(3), worden de fotoresponsiviteit, externe quantum efficiëntie en detectiviteit gedemonstreerd in Fig. 3. Het kan worden gevonden dat het apparaat een zeer hoge fotoresponsiviteit heeft naar de NIR-band, welke 101 A/W bereikt (900 nm). Daarnaast bezit meervoudige Bi₂O₂Se-gebaseerde fotodetector een ultra-hoge η, welke 20.000% overschrijdt bij 850 nm, wat de uitstekende foto-elektrische conversiecapaciteit aangeeft. De detectiesnelheid kan 1,9 × 10¹⁰ bereiken bij 900 nm, wat een perfecte signaal-ruisverhouding toont als fotodetector. In onze meting behoudt de donkerstroom van het apparaat altijd een relatief stabiele waarde (0,5 μA). Daarom is de trend van D* (als functie van incidentale golflengte) vergelijkbaar met de trend van R. Duidelijk, vergeleken met dunne-laag Bi₂O₂Se gerapporteerd door Ref. [7] en Ref. [8], heeft meervoudige Bi₂O₂Se hogere foto-elektrische responsiviteit en externe quantum efficiëntie (bron-drain bias spanning, 1 V, wat hetzelfde is als Ref. [7] en Ref. [8]), terwijl nog steeds een relatief snelle responstijd en hoge detectiesnelheid behoudt. Opvallend, Ref. [8] rapporteerde alleen de intrinsieke responstijd (1 ps) van materiaal door pomp-probe techniek maar zonder apparaat responstijd van Bi₂O₂Se fotodetectoren [8].

In het algemeen hebben 2D gelaagde materialen nog niet zo'n hoge gevoeligheid in NIR detectiebereik getoond. Bijvoorbeeld, overgangmetaal-dichalcogeniden (TMDs) hebben meestal te grote bandkloof om IR-licht te detecteren [17], terwijl voor grafeen, het een hoge-snelheid fotorespons toont maar zeer lage intrinsieke gevoeligheid minder dan tientallen mA/W [25]. Hoewel de fotoresponsiviteit kan worden verbeterd door het fabriceren van atoomaire heterostructuren [26,27,28], presteert het nog steeds niet perfect in de NIR detectie. Vergeleken met andere 2D materialen (Tabel 1), toont meervoudige Bi₂O₂Se-gebaseerde fotodetector een meer uitstekende foto-elektrische prestatie, met name een hoge R en een hoge η. Opvallend, als de chemische ets werd toegepast om de geometrie van meervoudige Bi₂O₂Se nanofilms te optimaliseren [15], kan de prestatie van het apparaat verder worden verbeterd.

Het foto-respons fysieke proces van Bi₂O₂Se-gebaseerde fotodetectoren kan worden uitgelegd door een eenvoudig energiebanddiagram (Fig. 4a). Zonder verlichting en zonder toepassen van drain-bias, is het apparaat in zijn evenwichtstoestand en zonder stroomstroom in het kanaal. Het verlichten van het apparaat met NIR-licht zal resulteren in lichtabsorptie en excitatie van elektronen-gaten paren, welke kunnen worden geëxtraheerd door het toepassen van een drain-bron bias [29,30,31]. Aangezien de Schottky-barrière in Bi₂O₂Se-metaal contact erg laag is, kunnen de foto-gegenereerde ladingdragers de barrière gemakkelijk passeren [16,17,18]. Daarom vertoonde meervoudige Bi₂O₂Se-gebaseerde fotodetector een uitstekende foto-elektrische prestatie.

Belangrijk, het mechanisme van verbeterde foto-elektrische prestatie moet worden besproken. Theoretisch is de optische absorptie van meervoudige Bi₂O₂Se hoger dan die in dunne-laag Bi₂O₂Se, wat hogere fotostromen I_ph kan induceren [14, 20]. De incidentale vermogen P(x) als functie van afstand x kan worden uitgedrukt als P(x) = P_in·e^−α·x, waarbij α de absorptiecoëfficiënt is van de Bi₂O₂Se nanofilms bij de incidentale fotonenergie. De hoeveelheid vermogen geabsorbeerd door een plaat van Bi₂O₂Se met dikte Δx op een afstand x van het oppervlak is dR_a = − (dP/dx)·Δx. Dan is het totale vermogen geabsorbeerd door de Bi₂O₂Se film van dikte d R_a = P_in·(1 − e^−α·d). Voor α·d ≪ 1, kan het geabsorbeerde vermogen worden geschreven als R_a = P_in·α·d [16, 19]. Hier is de dikte d in ons experiment 5 keer en 3 keer van Ref. [7] en Ref. [8], respectievelijk. Als kwestie van feit, zouden meervoudige Bi₂O₂Se nanofilms in ons werk een betere R hebben. Echter, hoewel met de toename van optische absorptie, hebben meervoudige Bi₂O₂Se enkele nadelen, zoals een hogere toestandsdichtheid (DOS), dus meer midden-kloof toestanden veroorzakend vergeleken met mono-laag (of dunne-laag) [13, 14]. Zoals Fig. 4b toont, wanneer het apparaat schakelt van "aan toestand" naar "uit toestand," zullen de geëxciteerde elektronen in hogere banden van meervoudige Bi₂O₂Se eerst overgaan naar de midden-kloof toestanden, en dan terugkeren naar grondband [16, 17, 19]. Met andere woorden, de dragerlevensduur τ zal onvermijdelijk hellen. Dezelfde situatie zal ontstaan wanneer het apparaat schakelt van "uit toestand" naar "aan toestand." Interessant, vergeleken met eerdere werk, hebben meervoudige Bi₂O₂Se nanofilms nog steeds een snelle responstijd, wat voldaan is in veel toepassingen [1,2,3]. Dit betekent dat het bestaan van midden-kloof toestanden niet schadelijk hoeft te zijn voor de dynamische prestaties van Bi₂O₂Se nanofilms. Ten slotte, voor de sterk verbeterde η, spelen twee hoofredenen een cruciale rol. Ten eerste, de verhoogde lagen verbeteren de absorptie van incidentale fotonen. Daarnaast staat het bestaan van midden-kloof toestanden meer overgangskanalen voor geëxciteerde elektronen toe. Dus η neemt significant toe [16, 19].