Wellenlängengesteuerter Photodetektor basierend auf einem einzelnen CdSSe-Nanogürtel

Hintergrund

In letzter Zeit wurden Halbleiter-Nanomaterialien als optoelektronische Bauelemente umfassend untersucht, wie z. B. Leuchtdioden [1, 2], photovoltaische Bauelemente [3], Solarzellen [4, 5], elektrokatalytisches H₂ Generation [6, 7] und Photodetektoren [8,9,10]. CdS und CdSe sind II–VI-Halbleitermaterialien mit einer Bandlücke bei Raumtemperatur von 2,42 bzw. 1,74 eV. Sie gelten aufgrund ihrer der Absorptionswellenlänge im sichtbaren Lichtbereich entsprechenden Bandlücke als die besten Materialien für die Herstellung von Photodetektoren [11, 12].

Eindimensionale Nanostrukturen wie Nanodrähte [13], Nanobelts [14] und Nanotubes [15] wurden aufgrund ihrer hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse, physikalischen Eigenschaften und chemischen Eigenschaften [16] in Sensoren und Photodetektoren verwendet. Darunter einige Nanostrukturen wie ZnO [17], CdS [18], CdSe [19], MoS₂ [20], Zn _x Cd_1 − x Se [21], CdS_1 − x Se _x [22] und Zn _x Cd_1 − x S [23] wurden bei der Herstellung von Photodetektoren verwendet. Panet al. berichtete, dass der Photodetektor auf Basis von CdS_0.49 Se_0.51 /CdS_0.91 Se_0.09 Heterostruktur hat eine gute Leistung [24]. Es bleibt jedoch eine Herausforderung, einen Detektor mit hoher Ansprechempfindlichkeit und Selektivität mit hervorragender Leistung zu entwickeln.

In dieser Arbeit wurden die CdSSe-Nanobelts (NBs) durch thermische Verdampfung synthetisiert. Wir übernehmen die Herstellung und Charakterisierung einzelner CdSSe-Geräte. Danach wurden die photoelektrischen Eigenschaften einzelner CdSSe NB-Bauelemente systematisch untersucht. Darauf aufbauend führten wir die Kathodolumineszenz (CL) von CdSSe NB bei Raumtemperatur und niedriger Temperatur durch und fanden heraus, dass CL empfindlich auf die Defekte von CdSSe NBs reagiert. Daher wählen wir Nanobelts mit perfekten Mikrostrukturen, um Geräte von CL so zu designen, dass sie unsere gewünschten Eigenschaften erreichen können.

Methoden

Vorbereitung von CdSSe Nanobelts

Einkristalline CdSSe-NBs wurden durch thermische Verdampfung hergestellt. Für die Synthese von CdSSe-NBs wurde die Mischung aus reinen CdS-Pulvern (99,99 Gew.-%) und CdSe-Pulvern (9,99 Gew.-%) vorgemischt im Gewichtsverhältnis 1:1 in ein Keramikschiffchen gegeben. Das Keramikschiffchen wurde in die Mitte des Quarzrohres gelegt. Ein mit einem etwa 10-nm-Au-Film beschichtetes Siliziumsubstrat wurde in das Rohr eingebracht; der Abstand zwischen Siliziumsubstrat und Keramikschiffchen betrug etwa 5–7 cm. Der Ofen wurde auf 820 °C erhitzt und dann 2 h lang gehalten. Schließlich kühlte der Ofen natürlich auf Raumtemperatur ab. Die Nanobänder mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wurden auf den unterschiedlichen Positionen des Si-Substrats abgeschieden. Während des gesamten Experiments wurde Ar-Gas mit 20 sccm geströmt und der Druck im Rohr wurde bei 112 Torr gehalten.

Materialcharakterisierung

Morphologie, Struktur und Zusammensetzung der Nanobänder wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgenbeugung (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), hochauflösende Elektronenmikroskopie (HRTEM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie charakterisiert (XPS). Die PL-Spektren wurden unter 532-nm-Laseranregung gemessen. CL-Spektren von CdSSe-NBs wurden bei Raumtemperatur und niedriger Temperatur mit einem Kathodolumineszenz-(CL)-(Gatan-Monokle-CL4)-System gemessen, das auf der Rasterelektronenmikroskopie (Quanta FEG 250) installiert war.

Herstellung des Nanobelt-Geräts

Ti/Au-Elektroden wurden an den beiden Enden eines einzelnen Nanobands abgeschieden, das auf einem Si-Substrat mit einem 500 nm dicken SiO₂ . dispergiert war Schicht, und dann war das Gerät erreicht. Auf den detaillierten Herstellungsprozess der Geräte wird in der Literatur verwiesen [25]. Der unbedeckte Teil der Nanobänder wurde dem einfallenden Licht ausgesetzt. Abbildung 1 ist das schematische Diagramm des Gerätetests.

Ein schematisches Diagramm der Detektorkonfiguration

Photoelektrische Charakterisierung

Die Messung der photoelektrischen Leistung von Nanobändern wurde mit dem Keithley 4200-Halbleitersystem und dem monochromatischen Spektrometer durchgeführt. Der Photostrom des Geräts wurde gemessen, indem das vertikal auf das Gerät eingestrahlte einfallende Licht geändert wurde, und I –V Kurven wurden durch eine Zwei-Sonden-Messung durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a zeigt ein SEM-Bild der vorbereiteten CdSSe-NBs. Es wurde festgestellt, dass die CdSSe-NBs eine gute Morphologie und eine einheitliche Breite und Länge von bis zu Hunderten von Mikrometern aufweisen. Abbildung 2b ist ein stark vergrößertes SEM-Bild der CdSSe-Nanobänder. Es wird beobachtet, dass der Nanogürtel mit einer Breite von 2,632 μm dünn und einheitlich ist. Abbildung 2c und der Einschub zeigen das TEM-Hellfeldbild und das SAD-Muster (Selected Area Diffraktion) eines einzelnen Nanogürtels mit einer Breite von 2,94 μm und einer Dicke von weniger als 50 nm. Das SAD-Muster bestätigt die Einkristallqualität und kann mit Gitterparametern a . auf eine hexagonale Struktur indiziert werden = 4.177 Å und c = 6,776 Å. Das entsprechende HRTEM-Bild wird in Fig. 2d angezeigt, und der Gitterabstand zwischen benachbarten Ebenen beträgt 0,34 nm, entsprechend der (110)-Kristallebene. Dementsprechend ist seine Wachstumsrichtung entlang [110].

Die Morphologiebilder von CdSSe-NBs. a REM bei geringer Vergrößerung. b REM bei hoher Vergrößerung. c SAD, Einschub:sein TEM. d HRTEM

EDX und Kartierung der CdSSe-Nanobänder sind in Abb. 3 gezeigt. SEM-Bild einer Probe bei niedrigen Vielfachen ist in Abb. 3a dargestellt. Es wird beobachtet, dass die gesamte Region mit Nanogürteln bedeckt ist. Abbildung 3b zeigt die Gesamtverteilungen von Cd, S und Se. Die Zuordnungen der Cd-, S- und Se-Elemente sind jeweils in Abb. 3c–e dargestellt. Es zeigte sich, dass Cd, S und Se gleichmäßig in den gesamten Nanogürteln verteilt sind. Das EDX-Spektrum, das von denselben Nanogürteln gesammelt wurde, ist in Abb. 3f dargestellt, was darauf hinweist, dass der Nanogürtel aus Cd-, S- und Se-Elementen besteht.

SEM-Bild und Elementarkartierungen von CdSSe-NBs. a SEM. b–e Cd-, S- bzw. Se-Zuordnungen. f EDX

XRD- und XPS-Muster von CdSSe-NBs sind in Abb. 4 dargestellt. Alle Beugungspeaks können auf eine hexagonale Struktur von CdS_0,76 . indiziert werden Se_0,24 mit Gitterparametern a = 4.177 Å und c = 6,776 Å, was mit der Standardkarte (JCPDS Nr. 49-1459) übereinstimmt. Die Positionen der Beugungspeaks (2θ = 24,72°, 26,35°, 28,13°, 36,42°, 43,47°, 47,5°, 50,4°, 51,4° und 52,4°) angepasst an die Kristallebene (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) bzw. (201). Andere Verunreinigungen werden nicht festgestellt. Die scharfen und schmalen Beugungspeaks zeigten, dass die erhaltenen CdSSe-Nanobänder eine gute Kristallinität aufweisen. Abbildung 4b zeigt die Bindungsenergien von Cd3d_5/2 und Cd3d_3/2 für die CdSSe-NBs bei 404,8 bzw. 411,7 eV, die nahe an den in der vorherigen Arbeit berichteten Werten liegen [26]. Der Abstand zwischen zwei Peaks beträgt 6,9 eV, was darauf hindeutet, dass sich Cd-Atome in der vollständigen CdS-Phase befinden [27]. Die Entfaltung des S(2p)-Peaks zeigt zwei Gaußsche Peaks, die in Abb. 4c bei 160,7 und 165,1 eV zentriert sind. Die Valenzelektronenspektren von Se(3d) sind in Abb. 4d dargestellt, in der nur ein Peak bei 53,5 eV beobachtet wurde. Daher bestätigen die XPS-Ergebnisse, dass die Nanogürtel aus Cd-, S- und Se-Elementen bestehen.

XRD-Muster und XPS-Spektren der CdSSe-NBs. a XRD. b XPS-Spektrum von überlagertem Cd(3d). c Hochauflösendes XPS-Spektrum für S(2p). d Hochauflösendes XPS-Spektrum für Se(3d)

Abbildung 5 ist das Photolumineszenzspektrum von CdSSe-Nanobändern; es gibt zwei Peaks im Bereich von 500–1000 nm. Einer ist bei 603 nm zentriert und stammt von der Nahbandkantenemission (NBE) der CdSSe-Nanobänder. Der andere, der bei ~ 950 nm zentriert ist, kann mit der Emission in tiefer Ebene zusammenhängen, die in In₂ . beobachtet wird Se₃ und Ga₂ Se₃ [28, 29].

Die PL-Emissionsspektren von CdSSe-NBs

REM- und CL-Bilder des einzelnen CdSSe-Nanogürtels sind in Abb. 6a, b beschrieben. Es zeigte sich, dass die Oberfläche der Nanobänder flach und glatt ist und die Helligkeit entlang ihrer Länge heterogen ist. Abbildung 6c, d sind die CL-Spektren mit räumlicher Auflösung desselben Nanogürtels bei Raumtemperatur (295 K) und niedriger Temperatur (93 K). Es hob hervor, dass die CL-Intensitäten der charakteristischen NBE auf CdSSe NB von Punkt zu Punkt unterschiedlich sind und ihr Signal-Rausch-Verhältnis bei 295 K nicht gut ist, während die CLs bei 93 K von Punkt zu Punkt unterschiedlich stark sind. Dieses Ergebnis stimmt gut mit dem CL-Image überein. Darüber hinaus befindet sich der charakteristische Peak bei 625 nm, es wird keine Defektemission beobachtet und die Intensität bei 93 K ist etwa 220-mal stärker als bei 295 K. Daher hat die CdSSe-NB gute Lumineszenzeigenschaften bei niedriger Temperatur.

SEM- und CL-Bilder einer einzelnen CdSSe-NB. a SEM. b KL. c CL bei 295 K. Tag CL um 93 K

Abbildung 7a ist das SEM-Bild des Nanogeräts, das visualisiert, dass die CdSSe-NB in ​​der Breite nicht einheitlich ist. Die Breiten der gemessenen NB betragen 30,85 und 36 μm und die Länge 9,754 μm, wie in Abb. 7a markiert. Das Ich –V Eigenschaften des CdSSe NB-Geräts sind in Abb. 7b unter dunklen Bedingungen und Weißlichtbeleuchtung mit einer Leistungsdichte von 43,14 mW/cm ² . gezeigt . Wie zu sehen ist, steigt der Photostrom bei Bestrahlung mit weißem Licht stark an, da das einfallende Licht Elektron-Loch-Paare erzeugt, wodurch der Photostrom verbessert wird. Die lineare Form von I –V Kurve zeigte, dass gute ohmsche Kontakte zwischen den CdSSe-NB- und Ti/Au-Elektroden gebildet wurden. Der Fotostrom beträgt 1,6 × 10 ⁻⁷ A und der Dunkelstrom beträgt etwa 1,96 × 10 ⁻¹⁰ A. Daher beträgt das Verhältnis von Photostrom zu Dunkelstrom 816. Abbildung 7c ist das I –V nach Logarithmierung erhaltene Kurve und festgestellt, dass der Photostrom um drei Größenordnungen höher ist als sein Dunkelstrom.

SEM-Bild und I –V Kurven eines einzelnen CdSSe NB-Detektors. a SEM. b Ich –V Kurven unter dunklen Bedingungen und Weißlichtbeleuchtung mit einer Leistungsdichte von 43,14 mW/cm ² . c Ich –V Graph erhalten nach Logarithmus

Um die photoelektronischen Eigenschaften der Bauelemente weiter zu untersuchen, haben wir den Fotostrom eines einzelnen CdSSe-NB-Bauelements gemessen, wie in Abb. 8 gezeigt. Bei einer angelegten Vorspannung von 1 V liegt die spektrale Empfindlichkeit des Bauelements im Bereich von 600 bis 800 nm ist in Abb. 8a dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Reaktion sehr stark ist, wenn die Wellenlänge weniger als 674 nm beträgt, und dann immer schwächer wird, wenn die Wellenlänge mehr als 674 nm beträgt. Abbildung 8b zeigt das gemessene I –V Kurve unter Beleuchtung von 674 nm Licht mit unterschiedlichen Leistungsdichten. Es zeigt sich, dass der Photostrom mit zunehmender Leistungsdichte zunimmt, was bedeutet, dass die photogenerierte Ladungsträgereffizienz proportional zur Anzahl der absorbierten Photonen ist [30]. Das logarithmische Diagramm entsprechend Fig. 8b ist in Fig. 8c hervorgehoben. Es zeigte sich, dass das CdSSe NB-Gerät die beste Reaktion bei einer Leistungsdichte von 6,11 mW/cm ² . hat . Abbildung 8d ist die Beziehung zwischen dem Fotostrom und der optischen Leistungsdichte. Durch Anpassen des leistungsdichteabhängigen Photostromwerts von I _p = AP ^θ , wo ich _p ist der Photostrom, P ist die optische Leistungsdichte, A ist die wellenlängenabhängige Konstante, der Exponent θ bestimmt die Photostromantwort mit Leistung [31], eine gute Anpassung der experimentellen Ergebnisse wurde mit θ . erhalten = 0,69. Berichte über einen Nicht-Eins-Exponenten mit 0,5 < θ < 1 deuten auf einen komplexen Prozess der Elektron-Loch-Erzeugung, Rekombination und Einfang innerhalb des photoaktiven Materials [32] hin, während die Intensitätsabhängigkeit mit θ < 0,5 kann aufgrund von Defektmechanismen entstehen, einschließlich sowohl Rekombinationszentren als auch Fallen. Daher θ = 0,69 bedeutet, dass das CdSSe-Nanoband keine Defekte aufweist, was mit HRTEM und CL übereinstimmt.

Die Photoreaktionseigenschaften des Detektors des CdSSe NB-Detektors. a Spektrale Photoreaktion gemessen bei einer Vorspannung von 1 V. b Ich –V Kurve bei der Anregungswellenlänge von 674 nm, einer Vorspannung von 1 V und unterschiedlichen Leistungsdichten. c Die logarithmische Darstellung von b . d Die Beziehung zwischen dem Photostrom und der optischen Leistungsdichte

Es ist bekannt, dass die spektrale Empfindlichkeit (R _λ ) und externe Quanteneffizienz (EQE) sind kritische Parameter für optische Geräte, die als R . definiert werden können _λ = Ich _ph /(P _λ S )und EQE = hcR _λ /(qλ ), wobei ich _ph ist die Differenz zwischen Photostrom und Dunkelstrom, P _λ ist die Lichtleistungsdichte, die auf das Nanoband eingestrahlt wird, S ist die effektiv beleuchtete Fläche, c ist die Lichtgeschwindigkeit, h ist die Planck-Konstante, q ist die elektronische Ladung und λ ist die anregende Wellenlänge [33, 34]. Wir haben den entsprechenden R . berechnet _λ und EQE-Werte des CdSSe NB-Geräts betragen 10,4 A/W und 19,1 %.

Abbildung 9a zeigt das Zeitverhalten des CdSSe-NB-Detektors, das durch periodisches Ein- und Ausschalten des 674-nm-Lichts mit einer Intensität von 4,87 mW/cm ² . gemessen wird bei einer Vorspannung von 1 V. Daraus können wir sehen, dass das CdSSe-NB-Gerät eine gute reversible Stabilität bei den Schalteigenschaften aufweist. Abbildung 9b ist die vom Oszilloskop gemessene Spannungsanstiegs- und -abfallflanke eines Widerstands. Sie spiegelt die Anstiegszeit und Abfallzeit der Photoleitfähigkeit von CdSSe NB wider. Mit und ohne Beleuchtung von 674-nm-Licht (4,87 mW/cm ² .) ) variiert die Spannung der Widerstandsänderungen. Es ist ersichtlich, dass die Anstiegs-/Abklingzeit jeweils 1,62/4,70 ms beträgt. Wir haben wichtige Parameter unseres Photodetektors mit denen anderer verglichen, die auf einem einzelnen Nanobelt oder Nanosheet (NS) basieren. Es wird festgestellt, dass die R _λ des CdSSe NB-Geräts in dieser Arbeit ist größer als das anderer Nanostruktur-Photodetektoren wie CdS [34] und ZnS NB [35], BiO₂ Se [36], GaSe [37], SnS [38] und Bi₂ S₂ NS [39]. Die Abklingzeit ist kürzer als die von ZnS NB [35] und GaSe NS [37], aber länger als die anderer [34, 36, 38, 39], wie in Tabelle 1 zusammengefasst, was die potenzielle Anwendung von CdSSe . bestätigt Hinweis für das Fotodetektorfeld.

Strom-Zeit-Eigenschaften eines einzelnen CdSSe-NB-Photodetektors bei 674-nm-Lichtbeleuchtung mit 4,87 mW/cm ² Leistungsdichte unter 1 V Vorspannung. a Ich –t Eigenschaften mit Ein-/Ausschaltung. b Die Spannungsanstiegs- und -abfallflanke einer Impulsantwort

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CdSSe-NBs in einem Hochtemperaturofen durch thermische Verdampfung gezüchtet wurden. Die erhaltenen Nanobelts wurden durch verschiedene Methoden charakterisiert. Es wurde festgestellt, dass die CdSSe-NBs eine perfekte Mikrostruktur ohne Defekte aufweisen und die Nanobänder aus Cd-, Se- und S-Elementen bestehen. Die CL-Ergebnisse zeigten, dass die Intensität eines einzelnen CdSSe-Nanobands bei niedriger Temperatur (93 K) stärker ist als die bei Raumtemperatur (295 K) und das Signalrauschverhältnis bei 93 K besser ist. Danach entwickelten wir den CdSSe-Photodetektor basierend an einer einzelnen NB und untersuchte ihre optoelektronischen Eigenschaften. Der Detektor erreichte eine hohe Leistung mit einer Empfindlichkeit von 10,4 A/W, einer Anstiegs-/Abklingzeit von 1,62/4,70 ms und einer externen Quanteneffizienz (EQE) von 19,1 % bei 674 nm, was eine gute Stabilität und Wiederholbarkeit der photoelektronischen Eigenschaften aufweist. Diese Arbeit ebnet den Weg für die Entwicklung von Photodetektoren mit kontinuierlicher Wellenlänge, indem sie ihre Zusammensetzung abstimmt.

Abkürzungen

CL:

Kathodolumineszenz

EDX:

Energiedispersive Röntgenstrahlung

EQE:

Externe Quanteneffizienz

HRTEM:

Hochauflösende Elektronenmikroskopie

Hinweis:

Nanogürtel

NBE:

Near-Band-Edge

NS:

Nanoblatt

PL:

Photolumineszenz

R _λ :

Reaktionsfähigkeit

SAD:

Beugung im ausgewählten Bereich

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie (REM)

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung