Hochleistungs-Ultraviolett-Photodetektor auf Basis von Graphen-Quantenpunkten dekorierte ZnO-Nanostäbe/GaN-Film-Isotyp-Heterojunctions

Hintergrund

UV-Photodetektoren haben in den Bereichen der Raketenabschusserkennung, der Weltraum- und astronomischen Forschung, der Umweltüberwachung, der UV-Strahlungskalibrierung und -überwachung sowie der optischen Kommunikation große Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1]. Halbleiter mit großen Bandlücken sind eine Reihe gängiger Optionen für UV-Photodetektoren, wie GaN [2], CdS [3], ZnO [4, 5], Ga₂ O₃ [6], ZnS [7] und SiC [8], da sie eine signifikante UV-Absorption aufweisen. Unter ihnen wurden ZnO-Nanomaterialien aufgrund ihrer großen Bandlücke (ca. 3,37 eV) und ihrer hohen Exzitonenbindungsenergie (ca. 60 meV) bei Raumtemperatur intensiv für kurzwellige optoelektronische Geräte untersucht [9,10,11,12].

Es wurden viele Anstrengungen unternommen, um ZnO-basierte UV-Photodetektoren unter Verwendung von ZnO-Einkristallen, dünnen Filmen oder Nanostrukturen zu konstruieren [13,14,15]. Im Allgemeinen sind die Photodetektions- und Photoreaktionsleistung von ZnO-Material Schlüsselparameter zur Bestimmung der Fähigkeit des UV-Photodetektors, die mit seiner Oberflächenbeschaffenheit, strukturellen Qualität und der Geschwindigkeit der Sauerstoffadsorption und -desorption zusammenhängt. Die Herstellung von eindimensionalem ZnO hat sich als effiziente Lösung zur Verbesserung seiner Photodetektions- und Photoreaktionsleistung erwiesen. Inzwischen wurden auch verschiedene Nanostrukturen, darunter Heterostrukturen [16], Homojunctions [17], Nanokomposite [18, 19] und ZnO mit speziellen Morphologien [20] sequentiell beschrieben, die die Anstiegs- und Abklingzeit von ZnO-basierten UV-Detektoren weiter verkürzen könnten . Im Vergleich dazu haben sich n-ZnO/n-GaN-Isotyp-Heteroübergänge aufgrund ihrer ähnlichen Kristallstruktur, Gitterparameter und großen Bandlücken (3,37 eV für ZnO und 3,39 eV für GaN) als überlegene Wahl erwiesen, die Ladungsträger erzeugen könnten aus dem Inneren lokalisierte Zustände, die durch Licht oder ein elektrisches Feld angeregt werden.

Ein weiteres weit verbreitetes Material zur Herstellung von ZnO-basierten Heteroübergängen sind Quantenpunkte (QDs), die dazu beitragen, die photogenerierte Ladungstrennung und Transportrate in ZnO-Nanostrukturen zu erhöhen. Die Dekoration von QDs auf ZnO-Nanostrukturen kann neue Grenzflächen einführen und die Ladungstrennung erheblich verbessern, indem die Elektronen von den QDs in das Leitungsband von ZnO übertragen werden, was zu einer Verbesserung der Photoantwort unter UV-Licht-Bestrahlung führt. Kürzlich haben Graphen-Quantenpunkte (GQDs), ein einschichtiges Graphen mit wenigen Nanometern in zweidimensionaler Richtung, vielversprechende Anwendungsperspektiven als lichtabsorbierendes Material beim Design von Breitband-Photodetektoren und photovoltaischen Geräten, was auf sein größenabhängiges Band zurückgeführt wird Lücke und starke optische Absorption [21]. Dharet al. haben eine Reihe von mit GQDs dekorierten Nanostäbchen/Polymer-Schottky-Übergangs-UV-Detektoren hergestellt [22,23,24]. Yanget al. fanden heraus, dass der Photostrom von GQD-beschichteten ZnO-Nanorod-Arrays (ZNRA), die durch UV-Licht beleuchtet wurden, im Vergleich zu reinen Nanoarrays bemerkenswert verbessert wurde. Sie schlugen vor, dass diese Verbesserung wahrscheinlich dem Ladungstransfer an der Grenzfläche von GQDs und ZNRA zugeschrieben wird [25]. Rahimiet al. haben dann berichtet, dass der Einbau von GQDs auf ausgerichteten ZnO-Nanostäben zu einer schnelleren Erfassungsgeschwindigkeit führte und der maximale UV-angeregte Photostrom ~2,75-mal höher ist als der des nackten ZnO-Dünnfilms [26]. Daher ist es sinnvoll, die oben erwähnten Vorteile von GQDs zu nutzen, um die UV-Sensoreigenschaften von ZnO zu verbessern. Nach unserem Kenntnisstand gibt es jedoch keine Berichte über die Funktion von GQDs in n-ZnO-Nanostab-Arrays/n-GaN-Photodetektoren.

In diesem Artikel wurde ein mit GQDs dekorierter n-ZnO/n-GaN-Isotyp-Heteroübergangs-UV-Photodetektor mit einem einfachen Verfahren hergestellt. Im Gegensatz zum bloßen n-ZnO/n-GaN-Detektor wurde eine deutliche Verbesserung des Photostroms und eine gute Reproduzierbarkeit des mit GQDs dekorierten Heteroübergangsdetektors beobachtet. Das überlegene Photo-to-Dunkel-Stromverhältnis und die Ansprechrate des hybriden UV-Photodetektors können dem synergistischen Effekt und den entsprechenden Energiebandstrukturen von n-ZnO, n-GaN und GQDs zugeschrieben werden, in denen GQDs als Lichtabsorber genutzt wurden und Elektronendonatoren, um den Elektronentransport im heterogenen Übergang vom Isotyp n-ZnO/n-GaN stark zu steigern. Diese Bemühungen erweitern das Anwendungspotenzial von GQDs in UV-Photodetektoren und ebnen einen neuen Weg zur Erforschung der verschiedenen Photodetektionsleistungen durch das Design hybrider Nanostrukturen.

Methoden/Experimental

Vorbereitung des n-ZnO/n-GaN-Heteroübergangs

Alle Reagenzien von analytischer Qualität wurden von Sigma-Aldrich gekauft und ohne weitere Reinigung wie erhalten verwendet. Die n-ZnO-Nanostab-Arrays/n-GaN-Film-Isotyp-Heteroübergänge wurden über einen zweistufigen Prozess hergestellt. Zuerst wurde der n-GaN-Film auf Al₂ . synthetisiert O₃ Substrat durch das metallorganische chemische Gasphasenabscheidungsverfahren (MOCVD). Dann wurden die ZnO-NRs direkt auf dem n-GaN-Film durch ein hydrothermales Verfahren gezüchtet, über das in früheren Studien berichtet wurde [27]. Erstens die Al₂ O₃ Das mit einem n-GaN-Film beschichtete Substrat wurde in eine wässrige Lösung mit 0,025 M Zinkacetat ((CH₃ COO)₂ Zn·2H₂ O) und 0,025 M Hexamethylentetramin (C₆ .) H₁₂ N₄ ) als Vorläufer. Die Vorläufer wurden in einen mit Teflon ausgekleideten Edelstahlautoklaven überführt. Als nächstes wurde der Autoklav verschlossen und in den Ofen gestellt. Die hydrothermalen Behandlungen wurden 12 h bei 95 °C durchgeführt. Schließlich ließ man den Autoklav natürlich abkühlen. Die Proben wurden entnommen, mehrmals mit entionisiertem Wasser gewaschen und an der Luft getrocknet.

Synthese von GQDs

Die Graphen-Quantenpunkte wurden über ein hydrothermales Verfahren unter Verwendung von pyrolysierter Zitronensäure (CA) als Vorstufe in einer alkalischen Umgebung gemäß einiger früher veröffentlichter Literatur hergestellt [28,29,30]. Typischerweise wurden 0,21 g (1 mmol) CA und 0,12 g (3 mmol) Natriumhydroxid (NaOH) in 5 ml Wasser gelöst und gerührt, um eine klare Lösung zu bilden. Dann wurde die Lösung in einen 20 ml Teflon-ausgekleideten rostfreien Autoklaven überführt. Der verschlossene Autoklav wurde in einem Elektroofen auf 160 °C erhitzt und weitere 4 h aufbewahrt. Die synthetisierten GQDs wurden durch Zugabe von Ethanol in die Lösung gesammelt und bei 10000 U/min für 5 Minuten zentrifugiert und dann dreimal mit Ethanol ultraschallgereinigt. Der Feststoff lässt sich leicht wieder in Wasser dispergieren.

Herstellung des UV-Fotodetektors

Die Al₂ O₃ Das mit n-ZnO/n-GaN-Heterojunction beschichtete Substrat wurde zunächst mit entionisiertem Wasser und Ethanol gereinigt und bei 60 °C an der Luft getrocknet. Dann wurden die GQDs auf die Heteroübergänge schleuderbeschichtet. Danach wurden die Bauelemente mit Polymethylmethacrylat (PMMA) schleuderbeschichtet, gefolgt von Ätzen mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP). Die Bauelemente wurden sofort mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) bedeckt, und für ohmsche Kontakte wurde eine Ag-Elektrode auf GaN aufgebracht. Die endgültige effektive Fläche der Isotyp-Heterojunction beträgt ~ 5 × 5 mm ² . Ein schematisches Diagramm des Herstellungsprozesses der n-ZnO-Nanostab-Arrays/n-GaN-Film-Isotyp-Heteroübergang ist in Schema 1 gezeigt.

Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses des Isotyp-Heterojunction-UV-Photodetektors

Charakterisierung

Die Oberflächenmorphologie der ZnO-Nanostab-Arrays wurde mit dem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-SEM, FEI, Quanta FEG) charakterisiert. Die Morphologie und Größenverteilung der GQDs wurde durch ein hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop (HRTEM, FEI, Tencai G20) charakterisiert. Die UV-Vis-Spektren wurden auf einem Lambda 25 UV-Vis-Spektrophotometer (PerkinElmer, USA) aufgenommen. Die Photolumineszenzspektroskopie (PL) wurde unter Verwendung eines Shimadzu RF-5301-Fluoreszenzspektrophotometers aufgezeichnet. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde unter Verwendung eines ThermoFisher-250XI Röntgenelektronenspektrometers mit fokussierter monochromatisierter Al Kα-Strahlung durchgeführt. Die Kristallstrukturen wurden mit einem Röntgendiffraktometer (XRD, Brukes, D8 Advance) gemessen. Raman-Spektren wurden unter Verwendung einer Raman-Station 400F-Maschine (PerkinElmer) untersucht. Die Photostromantwort wurde mit einem Halbleiter-Charakterisierungssystem (Keithley 4200) und einem 300 mW/cm ² . gemessen Als UV-Licht-Bestrahlungsquelle wurde eine Xenon-Lampe (365 nm) verwendet.

Ergebnisse und Diskussionen

Abbildung 1a zeigt das SEM-Bild der gewachsenen ZnO-Nanostäbchen-Arrays. Einheitliche ZnO-Nanostab-Arrays auf dem gesamten Al₂ O₃ mit einem GaN-Film plattierte Substrate wurden unter hydrothermalen Bedingungen erhalten. Abbildung 1b zeigt das REM-Querschnittsbild des Geräts. Die Dicke des Substrats, des GaN-Films und der ZnO-NRs wird mit 20, 6 bzw. 4 μm gemessen. Abbildung 1c zeigt das Röntgenbeugungsmuster von n-ZnO/n-GaN-Heteroübergängen. GaN und ZnO mit Wurtzit-Kristallstruktur haben ähnliche Gitterparameter, was zu einer Verschmelzung der (002)-Beugungspeaks der beiden Halbleiter führt. Durch Analyse der hochauflösenden Röntgen-Rocking-Kurve konnten die (002)-Peaks von GaN und ZnO deutlich beobachtet werden, wie im Einschub von Abb. 1c gezeigt. Der stärkste (002)-Beugungspeak zeigte an, dass die Mikrostäbchen hauptsächlich entlang der [001]-Richtung wachsen. In Abb. 1d das D-Band bei ≈ 1360 cm ⁻¹ und G-Band bei ≈ 1600 cm ⁻¹ konnten ebenfalls beobachtet werden, die dem sp ² . zugeschrieben werden graphitisierte Struktur bzw. lokale Defekte/Störungen von kohlenstoffhaltigen Materialien. Das hohe Verhältnis der D/G-Peakintensität zeigte, dass in der Kante oder Oberfläche der GQDs-Struktur große Mengen an Defekten und Störungen vorhanden waren [31].

a Das FE-SEM-Bild von ZnO-Nanostab-Arrays, die über einem GaN-Film auf Al₂ . gewachsen sind O₃ Substrat (45° geneigt). b Das FE-REM-Querschnittsbild des Geräts. c Das Röntgenbeugungsmuster einer ZnO/GaN-Probe (Einschub:hochauflösende Rocking-Kurve der (002) reflexionsauflösenden ZnO- und GaN-Peaks). d Raman-Spektren von n-ZnO/n-GaN-Heteroübergängen dekoriert mit GQDs

Abbildung 2a, b zeigen die TEM- und HRTEM-Bilder der erhaltenen GQDs. Es kann festgestellt werden, dass die GQDs eine relativ gleichmäßige Partikelgrößenverteilung mit einem Gittersaum von 0,21 nm aufweisen und die durchschnittliche laterale Größe statistisch mit 3,0 ± 0,6 nm berechnet wurde (siehe Einschub in Abb. 2a). Abbildung 2c zeigt das UV-Vis-Spektrum der GQDs. Wie zu sehen ist, gibt es einen starken Peak bei 240 nm, der dem π-π*-Übergang von aromatischem sp ² . entspricht Cluster und eine schwächere Schulter im Bereich von 300~320 nm, entsprechend dem n-π*-Übergang von C=O-Bindungen [32, 33]. Die PL-Spektren der GQDs zeigen einen Peak bei 442 nm, der hauptsächlich vom π→π*-Übergang stammt. Im XPS-Spektrum wurden in Abb. 2d zwei Peaks mit den Zentren ~ 284,5 eV und 531,4 eV gezeigt, die C 1s bzw. O 1s entsprechen. Das hochauflösende C 1s-Spektrum zeigt zwei Peaks bei 284,8 und 288,7 eV (Abb. 2e). Der Bindungsenergiepeak bei 284,8 eV wird C=C-Bindungen zugeschrieben und der Bindungsenergiepeak bei 288,7 eV wird O=C-O-Bindungen zugeschrieben. Das hochauflösende O 1s-Spektrum der Probe (Abb. 2f) zeigt einen Peak bei 531,8 eV, der der C=O-Gruppe zugeschrieben wird [34]. Die Analyse zeigt, dass die Grundstruktur der GQD-Probe eine aromatische Einheit ist, ähnlich wie in einigen früheren Literaturstellen [35].

a TEM-Bild (Einschub:Größenverteilung der GQDs). b HRTEM-Bild von GQDs. c UV-Vis-Spektren und PL-Spektren der GQDs (die Anregungswellenlänge beträgt 365 nm). d XPS-Spektren. e C 1s hochauflösende XPS-Spektren. f O 1s hochauflösende XPS-Spektren

Um die mit GQDs dekorierten Heterojunction-Nanoarrays weiter zu untersuchen, wurde in Abb. 3a ein TEM-Bild eines repräsentativen GQDs/ZnO-Nanostäbchens gezeigt, das eine gleichmäßige Dekoration von GQDs auf den ZnO-Nanostäbchen zeigt. Der Einschub in Abb. 3a entspricht dem HRTEM-Bild, das von einem grünen Quadrat eingekreist ist. Die UV-DRS-Spektren der mit/ohne GQDs dekorierten ZnO-Nanostäbchen wurden ebenfalls verglichen, dargestellt in Abb. 3b. Die Geräte zeigen eine starke Absorption im ultravioletten Bereich. Darüber hinaus ist die Lichtabsorptionsintensität des mit GQDs dekorierten ZnO-Nanostäbchen-Arrays um einen Faktor von etwa 20 % erhöht, verglichen mit der der blanken ZnO-Nanostäbchen. Die höhere UV-Absorption der mit GQDs behandelten ZnO-Nanostäbchen macht das Gerät für den Einsatz in UV-Photodetektoren besser geeignet. Währenddessen absorbiert reines PMMA hauptsächlich Licht im Bereich von 300–350 nm, wie in Fig. 3b gezeigt. In unserer Studie beträgt die UV-Licht-Bestrahlungsquelle 365 nm; daher ist die Wirkung von PMMA auf die Photoreaktionsleistung des gesamten Geräts vernachlässigbar.

a TEM-Bild eines repräsentativen GQDs/ZnO-Nanostäbchens (Einschub:HRTEM-Bild des grünen Kreises in (a )). b UV-DRS-Absorptionsspektren der GQDs/ZnO-Nanostäbchen, blanken ZnO-Nanostäbchen und PMMA

In Abbildung 4a, b sind die I-V-Kennlinien der ZnO-NRs/GaN-UV-Photodetektoren mit und ohne GQDs im Dunkeln aufgetragen (Leistungsdichte = 0 mW/cm ² ) und UV-Beleuchtung (λ = 365 nm, Leistungsdichte = 120 mW/cm ² ), bzw. Im Dunkeln zeigt die I-V-Kennlinie eine typische Gleichrichtungskennlinie mit einem sehr geringen Leckstrom, und der Strom steigt linear mit der angelegten Spannung, gezeigt im Einschub von Fig. 4a, was den ohmschen Kontakt zwischen dem Heteroübergang und den Elektroden anzeigt. während der Dunkelstrom durch Beschichten des Heteroübergangs mit GQDs leicht ansteigt. Bei Bestrahlung mit UV-Licht blieb der Photostrom des ohne GQDs dekorierten Photodetektors nahezu gleich. Der Photostrom des mit GQDs beschichteten Geräts steigt jedoch dramatisch an und erreicht einen hohen Wert von 0,4 mA bei einer angelegten Vorspannung von 1,5 V, was mehr als 40-mal höher ist als der entsprechende Dunkelstrom.

a Die I-V-Kennlinien der UV-Photodetektoren unter Dunkel- und UV-Licht-Bestrahlung dekoriert mit/ohne GQDs (Einschub:die vergrößerten I-V-Kennlinien der UV-Photodetektoren). b Die mit UV-Licht unterschiedlicher einfallender Leistungsdichte (mW/cm ² .) beleuchteten I-V-Kennlinien ). c Die Photoreaktion bei unterschiedlichen Leistungsdichten des einfallenden Lichts (mW/cm ² ). d Die Empfindlichkeit (rot) und die Detektivität (blau) als Funktion der einfallenden Lichtleistungsdichte.

Darüber hinaus haben wir die Photoreaktion von ZnO/GaN-UV-Photodetektoren unter 365 nm UV-Licht-Beleuchtung bei 10 V Vorspannung untersucht. Abbildung 4c zeigt die Zeitabhängigkeit des Fotostroms in Bezug auf einfallende Leistungsdichten von 9,5, 10, 25, 50, 70 und 100 mW/cm ² . Es kann festgestellt werden, dass bei einer einfallenden Leistungsdichte von 9,5 mW/cm ² , zeigte der Lichtstrom des Gerätes keine Reaktion. In der Zwischenzeit beträgt die Mindestgenauigkeit der UV-Lampe 0,5 mW/cm ² . Daher können wir folgern, dass die minimale vom Gerät erkannte Lichtintensität zwischen 9,5 und 10 mW/cm ² . liegt . Der Photostrom nahm beim Erhöhen der Lichtleistungsdichte zu und änderte sich sofort als Reaktion auf Ein-/Ausschaltzyklen der Lichtquelle. Das reversible und reproduzierbare Schalten zeigte eine gute Stabilität der Geräte. Darüber hinaus kann die Leistung des Photodetektors anhand der Ansprechempfindlichkeit (R _λ ), definiert als [25],

\({R}_{\lambda}=\frac{I_{\mathrm{ph}}}{P_{\mathrm{opt}}} \)

wo ich _ph ist die Differenz zwischen den gemessenen Strömen bei Beleuchtung mit Licht und bei Dunkelheit, P _wählen ist die einfallende Leistung des Geräts und λ ist die Wellenlänge des Anregungslichts. Die berechneten Empfindlichkeiten des Geräts bei einfallenden Leistungsdichten von 25, 50, 70, 100 und 120 mW/cm ² waren 34, 21, 16,4, 13 bzw. 12,9 mA/W.

Abbildung 4d zeigt die Empfindlichkeit des Fotodetektors als Funktion der einfallenden Leistungsdichte. Das Gerät ist sehr empfindlich gegenüber UV-Licht-Beleuchtung. Mit zunehmender Beleuchtungsleistung nehmen Detektivität und Ansprechempfindlichkeit offensichtlich ab, was möglicherweise auf die Absorptionssättigung von ZnO oder die Abschirmung des eingebauten elektrischen Felds durch die photoangeregten Elektronen im Leitungsband von ZnO zurückzuführen ist [36]. Unter der Annahme, dass kurzes Rauschen des Dunkelstroms die Hauptrauschquelle ist, kann die spezifische Detektivität (D*) als [37] ausgedrückt werden:

\({D}^{\ast}=\frac{R_{\lambda}}{{\left(2e\cdot {I}_{\mathrm{dunkel}}/S\right)}^{1/2 }} \)

wo e ist die Ladung eines Elektrons und I _dunkel ist der dunkle Strom. Dementsprechend beträgt die maximale Erkennungsrate bis zu 10 ¹² Jones erreicht, der höher ist als der der Photodetektoren auf Basis der meisten ZnO-Photodetektoren [38, 39]. Die Verwendung von GQDs als Lichtabsorber und Elektronendonatoren könnte auf eine Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration im heterogenen Übergang zurückgeführt werden, wodurch die Empfindlichkeit und Detektivität der UV-Photodetektoren erheblich verbessert werden.

Um die Reaktionsgeschwindigkeit und Stabilität der mit GQDs dekorierten n-ZnO/n-GaN-UV-Photodetektoren zu untersuchen, wurde der zeitaufgelöste Photostrom bei 10 V Vorspannung mit mehreren Ein-/Aus-Zyklen gemessen. Wie in Abb. 5a gezeigt, weist der Photostrom des Geräts zwei unterschiedliche Zustände auf, einen Niedrigstromzustand im Dunkeln und einen Hochstromzustand unter 365 nm UV-Licht. Der Strom steigt von einem Zustand zum anderen stark an, was auf eine sehr schnelle Reaktionsgeschwindigkeit der beiden Abtastwerte hinweist. Wie in Abb. 5b gezeigt, zeigte der zeitaufgelöste Fotostrom, dass die Reaktionsgeschwindigkeit der mit GQDs dekorierten ZnO-UV-Fotodetektoren schneller ist als die des nackten. Angesichts des Prozesses würde der Strom bei UV-Bestrahlung schnell auf den gesättigten Wert ansteigen. Die Anstiegszeiten entsprechend den mit und ohne GQDs dekorierten Heteroübergangs-Photodetektoren betrugen ~ 100 ms bzw. ~ 260 ms. Wenn das Licht ausgeschaltet ist, fällt der Photostrom nach ~ 120 ms und ~ 250 ms sofort auf den Dunkelstromwert, der den ZnO-NRs/GaN-UV-Photodetektoren mit bzw. ohne GQDs entspricht. Die Rücklaufquote in unseren Studien ist vergleichbar oder sogar schneller als bei vielen berichteten Ergebnissen, die in Tabelle 1 dargestellt sind.

a Das reproduzierbare Ein-/Ausschalten des mit/ohne GQDs dekorierten Geräts bei 365 nm-Lichtbeleuchtung mit einem 20-s-Zyklus unter 10 V Vorspannung. b Die vergrößerten Abschnitte der Übergänge von Light-Off zu Light-On bzw. Light-On zu Light-Off mit/ohne GQDs-Dekoration

Die schematischen Diagramme des Photoreaktionsmechanismus für den UV-Photodetektor sind in Schema 2 dargestellt. Oberflächensauerstoff auf ZnO-Nanostäbchen ist ein entscheidender Faktor bei der Beeinflussung der beobachteten Photoreaktion. Wie in Schema 2a gezeigt, wird der Elektroneneinfangprozess unter Umgebungsbedingungen hauptsächlich durch den Sauerstoffadsorptions- und -desorptionsprozess an der ZnO-NR-Oberfläche vermittelt. Die absorbierten Sauerstoffmoleküle fangen zunächst freie Elektronen aus den ZnO-NRs ein, was zur Bildung einer Verarmungsschicht nahe der Oberfläche und geladenen Sauerstoffionen (O₂ ⁻ ). Die Verarmungsschicht verringert die Leitfähigkeit von ZnO-NRs. Wenn die ZnO-NRs mit 365 nm UV-Licht mit einem Energieniveau oberhalb oder nahe der Bandlücke von ZnO beleuchtet wurden, entstehen die Elektron-Loch-Paare. Danach werden die meisten photogenerierten Löcher schnell von Sauerstoffionen (O₂ ⁻ ), was zur Abgabe von Sauerstoffionen und zur Desorption des Sauerstoffs von der ZnO-Oberfläche führt. Der Locheinfangprozess führt zu einer Erhöhung der Konzentration freier Träger, was zu einer offensichtlichen Verbesserung der Leitfähigkeit führt. Wird die UV-Bestrahlung abgeschaltet, rekombinieren die Löcher mit Elektronen und Sauerstoff wird wieder an ZnO-Nanostäbchen readsorbiert. Der Photoreaktionsmechanismus für den mit GQDs dekorierten n-ZnO/n-GaN-UV-Photodetektor ist ähnlich, während mehr Elektronen erzeugt würden, wenn die ZnO-NRs mit GQDs beschichtet würden.

a Die schematischen Diagramme des ZnO NRs/GaN UV Photodetektors dekoriert ohne und mit GQDs. b Energiebanddiagramm des GQD-ZnO-NRs-Verbundstoffs und seines Trägertransportmechanismus in der mit UV-Licht bestrahlten Grenzflächenregion

Schema 2b zeigt das Banddiagramm des GQDs-ZnO/GaN-Verbundstoffs und seinen Ladungsträgertrennungs-/Transportmechanismus im Grenzflächenbereich unter UV-Bestrahlung. Die Bandlücke von ZnO beträgt etwa − 3,27 eV, und sein Leitungsband liegt bei − 4,35 eV unterhalb des Vakuumniveaus [40]. Die Bandlücke von n-GaN beträgt etwa − 3,39 eV, und sein Leitungsband liegt bei − 4,20 eV unter dem Vakuumniveau [41]. Wenn die beiden Halbleiter kontaktiert werden, erscheint eine Energiebarriere von 0,15 eV zwischen den beiden Leitungsbändern (ΔE _c ). Die HOMO- und LUMO-Position der GQDs wurden der Literatur entnommen, in der die GQDs nach der gleichen Methode hergestellt wurden [42]. Die Bandlücke von GQDs beträgt etwa 1,5 eV mit ihrem LUMO-Band von − 3,5~3,7 eV und dem HOMO-Band von − 5,1~5,4 eV gegenüber dem Vakuumniveau [43]. Das CB-Band-Niveau von GaN und GQDs ist höher als das von ZnO, während das VB-Band-Niveau von ZnO höher ist als das von GaN und GQDs. Wenn ZnO mit unter UV-Licht bestrahlten GQDs dekoriert wird, biegen sich daher die Banden von GaN und GQDs nach unten und die Bänder von ZnO werden sich in der Nähe der Grenzfläche nach oben biegen. Dann können die photogenerierten Elektronen im Leitungsband von GaN und GQDs effizient in das Leitungsband von ZnO übertragen werden. Im Vergleich zum Majoritätsträger kann die Bewegung der Löcher im Valenzband von n-GaN und n-ZnO vernachlässigt werden. Als Ergebnis kommt es bei UV-Bestrahlung zu einem signifikanten Anstieg ungepaarter Elektronen, was zur Verbesserung der Ladungsträgerinjektion und des Transports beitragen und somit den Photostrom dramatisch erhöhen könnte. Während dieses Prozesses ist die schnelle Trennung photogenerierter Elektron-Loch-Paare und die effiziente Ladungsträgermigration für die schnelle Reaktionsgeschwindigkeit verantwortlich.

Schlussfolgerungen

Der Photostrom und die Erfassungsrate von GQDs dekorierten n-ZnO/n-GaN-Heteroübergängen, die unter UV-Licht beleuchtet werden, sind im Vergleich zu reinen n-ZnO/n-GaN-Detektoren bemerkenswert verbessert. Der maximale Fotostrom des Hybridgeräts erreicht 0,4 mA bei einer angelegten Vorspannung von 1,5 V, was mehr als 40-mal höher ist als der entsprechende Dunkelstrom. Das Gerät zeigte eine selektive UV-Antwort mit einer Pulsdauer innerhalb von Millisekunden. Die überlegene Leistung der ZnO/GaN-Heterostrukturen wird der effizienten Immobilisierung von GQDs auf ZnO-NRs zugeschrieben, die als Lichtabsorber und Elektronendonoren fungieren, sowie der geeigneten Energiebandausrichtung in mit GQDs dekorierten ZnO/GaN-Hybriden. Das zu entwickelnde Gerät bietet Aussichten für die Nutzung des synergistischen Effekts von Multi-Verbundwerkstoffen und ebnet den Weg für die Entwicklung von GQD-sensibilisierten effizienten optoelektronischen n-Typ-Geräten.

Abkürzungen

FE-REM:

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop

GQDs:

Graphen-Quantenpunkte

HR-TEM:

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie

ICP:

Induktiv gekoppeltes Plasma

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

MOCVD:

Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung

PMMA:

Polymethylmethacrylat

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgendiffraktometer

ZNRA:

ZnO-Nanostab-Array