ZnO UV-fotodetectoren aangepast door Ag-nanodeeltjes met behulp van All-Inkjet-Printing

een Schematische structuur van Ag NP-gemodificeerde ZnO UV-fotodetector en de inzet is een optisch beeld van gefabriceerde UV-fotodetector door te buigen. b I-V-kenmerken in donkere staat en 365 nm UV bij 715 mW. c , d De neiging van fotostroom en responsiviteit met een ander invallend vermogen en responsiviteit. e De relatie tussen genormaliseerde detectiviteit (D *) en het omgekeerde van NEP (1/NEP). Liu et al. [22]

waarin de ik _licht en ik _donker zijn respectievelijk de fotostroom en de donkerstroom. De P _in staat voor het effectieve vermogen van het invallende licht, wat gelijk is aan de waarde die het totale ingangsvermogen gedeeld door het actieve gebied (A) ) van de fotodetector. Zowel de fotostroom als de responsiviteit van het Ag NP-monster vertonen een toenemende tendens met hogere P _in , terwijl de neiging van de fotostroom voor het controlemonster bijna onveranderd is, maar de responsiviteit een afnemende neiging vertoont. Het ruisequivalent vermogen (NEP) en de genormaliseerde detectiviteit (D* ) worden berekend door de uitdrukking:

en de relatie tussen D * en 1/NEP voor de twee monsters worden getoond in Fig. 3e. De parameter f is de bandbreedte, en △f =1 wordt in dit werk overgenomen. De D * beschrijft het vermogen van de fotodetector om zwak licht te detecteren en de NEP is het vermogen van invallend licht wanneer de verhouding tussen signaal en ruis (S/N) gelijk is aan 1. Het is duidelijk dat hoe hoger D * en 1/NEP staan ​​voor hogere prestaties van de UV-fotodetector. Uit Fig. 3e kan worden geconcludeerd dat de Ag NP-gemodificeerde ZnO-fotodetector een hogere D zou kunnen bereiken * en 1/NEP, wat aantoont dat de inkjet-geprinte Ag NP's werkbaar zijn om de prestaties van inkjetprinten ZnO UV-fotodetector te verbeteren. De D * en 1/NEP zullen toenemen met het hogere vermogen van invallend licht voor het Ag NP-monster, maar vertonen een afnemende neiging voor het controlemonster volgens formule (1), (2) en (3). De D * van de Ag NP-gemodificeerde monsters is 1,45 × 10 ¹⁰ Jones met een vermogen van invallend licht van 0,715 mW, wat hoger is dan 5,72 × 10 ⁹ Jones van het controlemonster. Hoewel de verbetering in dit werk niet significant lijkt, omdat het de eerste keer is dat gerelateerde processen worden onderzocht, is er enorm veel ruimte voor verbetering in verder onderzoek.

Om het veranderende mechanisme van de I-V-testresultaten getoond in Fig. 3 te verklaren, de energieniveaus van V_O , V_Zn, en O_i -gerelateerde defecten worden verzameld uit referenties [27,28,29,30] in Fig. 4. Geconcludeerd kan worden dat de V_O , V_O ⁺ , V_O ²⁺ , en V_Zn defecten zijn de gatenvallen [28, 30, 31]. De V_Zn ²⁻ en V_Zn ⁻ defecten zijn respectievelijk de elektronenval en het niet-stralingsrecombinatiecentrum [28]. Voor Ag NP-monsters is de concentratie van carrier trap veel minder dan die van het controlemonster volgens de PL- en XPS-resultaten in Fig. 2 a en b. Bovendien wordt de –OH beschouwd als de ondiepe donor in ZnO-materiaal, en het kan gemakkelijk een elektron leveren om de dichtheid van vrije drager [32] te verhogen, die aanwezig is in het controlemonster maar niet kan worden gevonden in het Ag NP-monster volgens de XPS-gegevens getoond in Fig. 2b. Volgens de bovenstaande analyse worden de vereenvoudigde banddiagrammen van de twee monsters onder verschillende omstandigheden getoond in Fig. 5. Wanneer de IV-test wordt uitgevoerd onder donkere omstandigheden, zal de dragerdichtheid van het controlemonster hoger zijn dan die van Ag NP-monster vanwege de vrije elektronen geëxciteerd uit ondiepe donor- en oppervlaktetoestanden zoals getoond in Fig. 5 a en c. De donkerstroom van het controlemonster is dus hoger dan die van Ag NP-monster, wat overeenkomt met de resultaten in Fig. 3b. Bovendien zal het "schaduweffect" van de Ag NP's ook het energieverlies van invallend licht [18] veroorzaken, wat ertoe zal leiden dat de lichtstroom en responsiviteit van Ag NP-monster lager zijn dan die van het controlemonster bij lage incidentele kracht. Wanneer de IV-test echter wordt uitgevoerd onder bestraling van 365 nm licht, vertoont de fotostroom van het controlemonster geen significante toenameneiging met de toename van het invallende vermogen. Volgens de relatie tussen de vangsnelheid van de carrier en de trapdichtheid,

Het schematische diagram van het energieniveau van V_O , V_Zn , en Oi-gerelateerde defecten verzameld uit referenties. NRC, niet-stralingsrecombinatiecentrum; ET, elektronenval; HT, gatenval. Liu et al. [22]

een , b Schematisch diagram voor vervoer van dragers en het genereren van ZnO-film met Ag NP's in respectievelijk het donker en in 365 nm-verlichting. c , d Schematisch diagram voor transport van dragers en het genereren van ZnO-film zonder Ag NP's in respectievelijk het donker en in 365 nm-verlichting. Liu et al. [22]

waarin R _{n 0} en R _{p 0} zijn de vangstsnelheid van elektron en gat, r _n en r _p zijn de trapping-coëfficiënt van de trapniveaus, n en p presenteer de concentratie van vrije elektronen en gaten, en N _{tn 0} en N _{tp 0} staan ​​voor respectievelijk de concentratie van elektronen- en gatvaldefecten vóór ionisatie. Uit formule (4) en (5) kan worden geconcludeerd dat de vangsnelheid van de drager op het trapniveau zal toenemen met een hogere vrije dragerconcentratie en een hogere dichtheid van de valdefecten. Wanneer het licht het controlemonster raakt, zal intrinsieke excitatie optreden en een groot aantal vrije dragers leveren. De kans dat dragers vast komen te zitten zal sterk toenemen naarmate de dichtheid van dragers toeneemt, wat de toename van de vrije dragerconcentratie zal beperken. Ondertussen zullen de geïoniseerde valdefecten ook de verstrooiingsmogelijkheid van dragers vergroten, wat de mobiliteit van dragers zal verminderen en de toename van fotostroom verder zal beperken. De fotostroom van het controlemonster zal dus niet substantieel toenemen, zoals getoond in Fig. 3c en 5d. De berekende responsiviteit van het controlemonster zal afnemen met een hoger invallend vermogen, omdat de fotostroom niet significant toeneemt met de toename van het invallende vermogen, zoals weergegeven in figuur 3d. Voor het Ag NP-monster zijn er minder valdefectdichtheid en oppervlaktetoestanden in ZnO-films vanwege de passivering van Ag NP's. Als gevolg hiervan zal de donkerstroom van het Ag NP-monster minder zijn dan die van het controlemonster omdat het gepassiveerde oppervlak minder ondiepe donorconcentratie biedt. Wanneer het Ag NP-monster wordt getest onder de bestraling van 365 nm licht, zoals weergegeven in figuur 5b, zullen de intrinsieke excitatie en het effect van Ag NP-oppervlakteplasmon worden verbeterd. De concentratie van vrije dragers zal aanzienlijk worden verhoogd omdat er minder valdefecten in het Ag NP's-monster zijn. De fotostroom zal een significant stijgende tendens vertonen met een hoger invallend vermogen, wat overeenkomt met het resultaat getoond in figuur 3c. De power-law relatie tussen de fotostroom en de kracht van het invallende licht van de Ag NP-gemodificeerde ZnO-detector is

waar de ik _pc is de fotorespons [33]. Uit de relationele uitdrukking (6) kan worden geconcludeerd dat het Ag NP-monster zeer gevoelig is voor de verandering van het invallende UV-lichtvermogen. De responsiviteit van de Ag NP's zal dus aanzienlijk toenemen met een hoger invallend vermogen vanwege de aanzienlijke toename van de fotostroom. Dit zal bijdragen aan de verandering van 1/NEP en D * zoals getoond in Fig. 3e, wat aangeeft dat de Ag NP's veelbelovend zijn om de prestaties van ZnO UV-fotodetector vervaardigd door volledig inkjetprinten verder te verbeteren.

De tijdsafhankelijke fotostroom van de twee monsters wordt getest met een aan/uit-cyclus van 20 s met een voorspanning van 20 V en een invallend vermogen van 0,715 mW, zoals weergegeven in Fig. 6 a en c. De vervaltijd voor de twee monsters wordt aangepast door een exponentiële vervalfunctie van de tweede orde [34]. Uit Fig. 6 b en d kan worden geconcludeerd dat de stijgtijd van de twee monsters vergelijkbaar is, maar de vervaltijd is duidelijk verschillend. De vervaltijd is 3,01 s en 8,12 s voor het controlemonster, wat veel langer is dan 1,08 s en 3,30 s van het Ag NPs-monster. De twee vervalprocessen geven aan dat er twee afzonderlijke fysieke mechanismen zijn die het fotoverval van het apparaat regelen. De significante afname van de vervaltijd betekent dat de Ag NP's van inkjetprinten kunnen profiteren van de tijdresolutie van de ZnO UV-detector voor inkjetprinten. Het vervalproces wordt verondersteld te worden veroorzaakt door de dragers die vrijkomen uit de valniveaus wanneer het licht wordt uitgeschakeld. De reden van de langere vervaltijd voor het controlemonster is dus dat de valconcentratie veel hoger is dan die van het Ag NP-monster, wat consistent is met de resultaten die we hebben geleerd uit Fig. 2. De inschakelstroom van het controlemonster toont een afnemende tendens met schakeltijden in figuur 6a, die wordt veroorzaakt door de dragerverstrooiing door resterende ladingen in het valniveau volgens de toenemende uitschakelstroom. Voor het Ag NP-monster bereikt de uitschakelstroom bijna nul voor elke schakelperiode, wat betekent dat de dragers in vallen bijna volledig worden vrijgegeven. De inschakelstroom van Ag NPs-monster vertoont een toenemende tendens met de schakeltijden, die verder moeten worden onderzocht. Hier brengen we de hypothese naar voren dat dit fenomeen kan worden bijgedragen door een gerelateerd effect van oppervlakteplasmon of de geheugeneigenschappen van ZnO-materiaal [35, 36], dat in verder onderzoek zal worden bestudeerd.

een Tijdsafhankelijke fotostroom van ZnO-film zonder Ag NP's met 365 nm verlichting bij 20 V. b Reactie van ZnO-film zonder Ag NP-fotodetector. c Tijdsafhankelijke fotostroom van ZnO-film met Ag NP's met 365 nm verlichting bij 20 V. d Reactie van ZnO-film met Ag NP-fotodetector. Liu et al. [22]