Photoelektrische Eigenschaften von mehrschichtigen Bi2O2Se-Nanofilmen im nahen Infrarot

Hintergrund

Infrarot-(IR)-Photodetektoren wurden seit ihrer heiklen Anwendung im militärischen, kommerziellen, öffentlichen und akademischen Bereich umfassend untersucht und untersucht [1,2,3]. In den letzten zehn Jahren haben sich zweidimensionale (2D) Materialien wie Graphen, Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) und schwarzer Phosphor als vielversprechende Kandidaten mit großem Potenzial für Infrarotanwendungen entwickelt [4,5,6,7,8 ,9]. Aufgrund der faszinierenden Eigenschaften von 2D-Materialien, einschließlich der ultradünnen Dicke, der hohen mechanischen Flexibilität, der geeigneten und abstimmbaren Bandlücke, der ultraschnellen optoelektronischen Eigenschaften und der leicht zuzuschneidenden Van-der-Waals-Heterostrukturen, gelten 2D-Schichtmaterialien als wettbewerbsfähige IR-Medien für die nächste Generation Photodetektoren [10,11,12].

Vor kurzem wurde geschichtetes Wismutoxyselenid (Bi₂ O₂ Se) wurde als vielversprechender 2D-Halbleiter mit hoher Elektronenmobilität, ultraschneller Photoreaktion, ausgezeichneter Umweltstabilität und einfacher Zugänglichkeit für große Produktionen über ein einfaches Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) entdeckt, was ihn für elektronische und optoelektronische Anwendungen attraktiv macht [7, 8, 13,14,15]. Zuvor haben He Jun et al. [7] und Peng Hailin et al. [8] berichteten nacheinander, dass Bi₂ O₂ Se besaß ausgezeichnete photoelektrische Eigenschaften gegenüber dem nahen Infrarot (NIR). Sie beschäftigten sich jedoch hauptsächlich mit Dünnschicht-Bi₂ O₂ Se (Dicke ~ 7 nm). Frühere Studien zu anderen 2D-Materialien wie MoS₂ [16] und MoSe₂ [17, 18] zeigten, dass mehrschichtige Nanoflocken auch eine außergewöhnliche photoelektrische Leistung im Vergleich zu Mono- oder Dünnschicht aufweisen. Tatsächlich ist mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se kann attraktiver sein als dünnschichtiges Bi₂ O₂ Se für FET-Anwendungen in der Dünnschichttransistor-(TFT)-Konfiguration [16, 19]. Zum Beispiel die Zustandsdichte in mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se ist viel höher als in Dünnschicht-Bi₂ O₂ Se, das im ballistischen Grenzbereich erheblich hohe Antriebsströme erzeugen kann [13, 14]. In Langkanal-TFTs können durch Feldeffekte in mehrschichtigem Bi₂ . mehrere leitende Kanäle erzeugt werden O₂ Se, das den Stromantrieb von TFTs steigern kann, ähnlich wie bei Silizium-auf-Isolator-MOSFETs [19]. Darüber hinaus ist mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se bietet eine breitere spektrale Empfindlichkeit als Dünnschicht-Bi₂ O₂ Se aufgrund seiner schmaleren Bandlücke, was in einer Vielzahl von Photodetektoranwendungen von Vorteil sein kann [20]. Mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se-basierte Photodetektoren wurden noch nicht umfassend für den Einsatz in der Elektronik oder Optoelektronik untersucht.

Daher sind die photoelektrischen NIR-Eigenschaften von mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se (Dicke ~ 30 nm) wurden in dieser Arbeit systematisch untersucht. Mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se-basierter Photodetektor zeigt eine ultraempfindliche Photoantwort von 850 bis 1550 nm mit einer guten Reproduzierbarkeit bei Raumtemperatur. Seine Lichtempfindlichkeit erreicht 101 A/W bei 1000 nm, zusammen mit einer schnellen Anstiegszeit und einer Abklingzeit von 30 ms bzw. 60 ms. Im Vergleich zu dünnschichtigem Bi₂ O₂ Se, mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se weist eine höhere Photoempfindlichkeit und externe Quanteneffizienz auf, behält aber dennoch eine relativ schnelle Reaktionszeit und eine hohe Detektionsrate bei. Darüber hinaus zeigt der Photostrom eine lineare Abhängigkeit von der einfallenden Leistung, was eine gute Einstellbarkeit für Mehrzweckanwendungen bietet. Diese Ergebnisse bieten die Möglichkeit zur Entwicklung der nächsten Generation ultraempfindlicher Hochleistungs-NIR-Raumtemperatur-Photodetektoren.

Methoden

Wachstum und Charakterisierung von Bi₂ O₂ Se

Die Bi₂ O₂ Se-Nanofilme wurden über ein Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) synthetisiert. Bi₂ O₃ und Bi₂ Se₃ (Alfa Aesar) befanden sich im Zentrum des horizontalen Rohrofens (Lindberg/Blue M) und die Glimmersubstrate (Tiancheng Fluorphlogopite Mica Company Ltd., China) wurden als Substrate stromabwärts platziert. Der Ofen wurde zuerst auf 640 °C mit einer Steigrate von 30°C min ⁻¹ . erhitzt und 60 min mit einem Argongasstrom gehalten. Schließlich wurde der Ofen natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt. Die synthetisierten Proben wurden durch ein optisches Mikroskop (Olympus BX51), Raman-Spektrum (WiTec 300R), Rasterkraftmikroskop (Halbkontaktmodus, Firma NT-MDT) Rasterelektronenmikroskop (Firma FEI) charakterisiert. Hier wurde zunächst 10-nm-Aluminium thermisch aufgedampft, um den Ladungseffekt des Glimmersubstrats vor der SEM-Charakterisierung zu vermeiden.

Geräteherstellung

Der Photodetektor auf Basis von mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se wurde durch eine Standard-Mikro-Nano-Technologie hergestellt. Die Source- und Drain-Kontakte wurden durch Elektronenstrahllithographie definiert und gefolgt von der Abscheidung eines 5 nm Cr/50 nm Au-Metallstapels durch Elektronenstrahlverdampfung. Beachten Sie, dass, um die Ladungsakkumulation auf dem Glimmersubstrat während des EBL-Prozesses zu verhindern, leitfähiger Polymer-Photoresist (SX AR-PC-5000) vor dem EBL-Prozess auf Glimmer aufgeschleudert wurde. Schließlich wurde das Gerät zur weiteren photoelektrischen Messung auf den Chipträger gebondet.

Leistungsmessung

Die Photostrommessungen wurden mit einer selbstgebauten Xenonlampen-Photodetektionsplattform (Lichtquelle:BETICAL HDL-II) durchgeführt. Bei der Messung wurde Keithley 2450 verwendet, um den Source-Drain-Bias bereitzustellen. Durch Ein-/Ausschalten des Lichts wurden die Drain-Ströme bei Ein-/Aus-Zuständen gesammelt. Die photoelektrische Reaktion des Geräts bei verschiedenen Wellenlängen (850–1550 nm) könnte durch den Austausch verschiedener Filter erreicht werden.

Ergebnisse und Diskussion

Wie Fig. 1a veranschaulicht, geschichtetes Bi₂ O₂ Se zeigt eine tetragonale Struktur mit einer I4/mmm-Raumgruppe und besteht aus planaren kovalent gebundenen Oxidschichten (Bi₂ O₂ ) eingeschlossen von quadratischen Se-Anordnungen mit relativ schwachen elektrostatischen Wechselwirkungen [21]. Diese Art von Struktur ähnelt Glimmer. Daher ist zweidimensionales Bi₂ O₂ Bisher wurden alle Se-Nanofilme auf dem Glimmersubstrat durch das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) synthetisiert [7, 14, 15]. Abbildung 1b zeigt eine großflächige optische Ansicht von mehrschichtigem Bi₂ . im gewachsenen Zustand O₂ Se Nanofilme auf Glimmer. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Nanofilme gleichförmig sind und fast rechteckige Formen aufweisen. Ein Rasterkraftmikroskop (AFM) Bilder von Bi₂ O₂ Se-Nanofilme in unserem Experiment sind in Abb. 1c gezeigt. Nach der theoretischen Dicke einer Monoschicht (≈ 0,61 nm) [14, 15] entsprechen 30 nm (Abb. 1d) der Dicke von etwa 49 Schichten. Abbildung 1e zeigt die XRD-Muster von Bi₂ O₂ Se Nanofilme. Unterscheidbare Peaks werden alle (00l) Beugungsebenen von Bi₂ . zugeschrieben O₂ Se (die kristalline Orientierung ist entlang c -Achse), im Einklang mit den vorherigen Studien [14]. Das Merkmal A_1g Spitze von Bi₂ O₂ Se kann bei ≈ 159,1 cm ⁻¹ . gefunden werden im Raman-Spektrum (Abb. 1f), was in guter Übereinstimmung mit den früheren Berichten ist [22]. Abbildung 1g zeigt die typische I-V-Kurve von Bi₂ O₂ Siehe Gerät. Die ausgezeichnete lineare I-V-Kurve zeigt an, dass die ohmschen Kontakte gebildet sind. Außerdem 2D Bi₂ O₂ Der auf Se basierende Photodetektor weist eine ausgezeichnete Umweltstabilität auf, die eine wichtige Kennzahl für zukünftige praktische Anwendungen ist [14, 15]. In Abb. 1h beträgt die gemessene Länge und Breite des Geräts 29 µm bzw. 91 µm.

Charakterisierung von geschichtetem Bi₂ O₂ Se Nanofilme. a Schema von geschichtetem Bi₂ O₂ Se Kristallstruktur. Oranger Ball:Bi. Roter Ball:O. Gelber Ball:Se. b Typisches optisches Bild von gewachsenem Bi₂ O₂ Se Nanofilme auf Glimmer. c AFM-Bild von mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se Nanofilme. d Entsprechende Höhenangaben. Die Dicke beträgt ~ 30 nm. e XRD-Muster. f Raman-Spektrum angeregt mit einem Laser von 532 nm. g Ausgangseigenschaften von mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se-Gerät, das eine ausgezeichnete Umweltstabilität zeigt, selbst wenn es 3 Monate lang der Luft ausgesetzt war. Der Einschub zeigt das optische Bild des Geräts. h REM-Aufnahme von mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se-Nanofilme, die die Nanostrukturinformationen dieses Materials zeigen. Der Einschub ist ein vergrößertes REM-Bild

Wie Fig. 2a zeigt, ist die photoelektrische Reaktion von mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se-basierter Photodetektor für NIR wurde absichtlich gemessen. Hier diskutieren wir hauptsächlich die Leistung des Geräts im Telekommunikationsband (1550 nm), das im militärischen, kommerziellen, öffentlichen und akademischen Bereich weit verbreitet ist. Aus Abb. 2b ist ersichtlich, dass I_DS wächst offensichtlich mit zunehmender Lichtintensität. Darüber hinaus zeigt die I-V-Kurve des Geräts unter Beleuchtung keine scheinbare Leerlaufspannung und keinen Kurzschlussstrom. Diese Tatsache weist darauf hin, dass die zwischen der Elektrode und dem Material gebildete Schottky-Barriere keine entscheidende Rolle bei den Transporteigenschaften der Vorrichtung spielt. Daher sollte die photoelektrische Reaktion des Materials hauptsächlich vom photoleitenden Effekt herrühren [10].

Photoelektrische Reaktion auf das Telekommunikationsband (Wellenlänge 1550 nm) von mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se–basierter Photodetektor. a Schematische 3D-Ansicht von Bi₂ O₂ Se-basierter Photodetektor unter Beleuchtung. b I-V-Kurven von Bi₂ O₂ Se-basierter Photodetektor unter verschiedenen Lichtintensitäten. c Zeitabhängiges Photoreaktionsverhalten von Bi₂ O₂ Siehe Gerät unter 1550-nm-Lichtbeleuchtung (P =0,26 uW). Der Einschub zeigt eine ultraschnelle Fotoreaktion des Geräts. d Photostrom und Photoempfindlichkeit von Bi₂ O₂ Se-basierter Photodetektor unter verschiedenen Lichtintensitäten

Um die Leistung der Fotodetektoren zu bewerten, muss die Fotoempfindlichkeit (R ), externe Quanteneffizienz (η ) und Detektivität (D* ) sind kritische Parameter, die nach folgender Formel berechnet werden können [10, 17]:

wo ich _ph ist Photostrom (die Differenz des Drainstroms zwischen beleuchteten (I _ich ) und dunkel (ich _d ) Staaten), P ist die Lichtintensität, S ist die effektive Fläche, h ist die Planck-Konstante, c ist die Lichtgeschwindigkeit, λ die Lichtwellenlänge ist und q die elektronische Ladung. Hier nehmen wir an, dass der Dunkelstrom der Hauptbeitrag zum Schrotrauschen ist, und leiten daher auf die Gleichung (3) ab [7]. Diese Vereinfachung wurde verwendet, um die Photoreaktion von 2D-Schichtmaterialien wie Graphen [23] und WSe₂ . zu bewerten [24].

Wie aus Fig. 2c ersichtlich ist, weist die Vorrichtung nach mehreren Zyklen eine sehr stabile und wiederholbare Photoreaktion auf Licht von 1550 nm auf. Seine Reaktionszeit ist extrem schnell und kann 30 ms im Anstieg bzw. 60 ms im Abfall erreichen. Dies liegt an der Tatsache, dass ultradünnes Bi₂ . im angebauten Zustand O₂ Se-Nanofilme haben keine Oberflächeneinfangzustände und flache Defektenergieniveaus. Schließlich, wie in Abb. 2d gezeigt, I _ph steigt monoton mit steigendem P an, nach einer Beziehung I~P ^α . Hier wird α zu 0,99 für Bi₂ . abgeleitet O₂ Se durch Anpassen der experimentellen Daten, was darauf hindeutet, dass der Photostrom hauptsächlich durch die absorbierten Photonenmengen bestimmt wird [7]. Die Lichtempfindlichkeit von mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se-basierte Fotodetektoren haben etwa 68 A/W, was eine extrem hohe Leistung als Fotodetektor zeigt.

Als nächstes wird die photoelektrische Reaktionsleistung des mehrschichtigen Bi₂ O₂ Se-basierte Photodetektoren für NIR-Wellenlängen (850–1550 nm) wurden systematisch untersucht. Gemäß der Berechnung mit den angegebenen Formeln (1)–(3) werden die Photoempfindlichkeit, die externe Quanteneffizienz und die Detektivität in Abb. 3 gezeigt. Es kann festgestellt werden, dass das Gerät eine sehr hohe Photoempfindlichkeit gegenüber dem NIR-Band hat, die 101 A . erreicht /W (900 nm). Darüber hinaus mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se–basierter Photodetektor besitzt einen ultrahohen η , das 20.000 % bei 850  nm überschreitet, was auf seine ausgezeichnete photoelektrische Wandlungsfähigkeit hinweist. Die Erkennungsrate kann 1,9 × 10 ¹⁰ . erreichen bei 900 nm und zeigt ein perfektes Signal-Rausch-Verhältnis als Photodetektor. Bei unserer Messung bleibt der Dunkelstrom des Gerätes immer auf einem relativ stabilen Wert (0,5 μA). Daher ist der Trend von D* (als Funktion der einfallenden Wellenlänge) ähnelt dem Trend von R . Offensichtlich im Vergleich zu dünnschichtigem Bi₂ O₂ Siehe von Ref. [7] und Lit. [8], mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se hat eine höhere photoelektrische Empfindlichkeit und externe Quanteneffizienz (Source-Drain-Biasspannung, 1 V, die identisch mit Lit. [7] und Lit. [8] ist, während es immer noch eine relativ schnelle Reaktionszeit und eine hohe Detektionsrate beibehält. Bemerkenswert ist, Ref. [8] berichtete nur die intrinsische Reaktionszeit (1 ps) von Material durch die Pump-Probe-Technik, jedoch ohne die Reaktionszeit des Geräts von Bi₂ O₂ Siehe Fotodetektoren [8].

Photoelektrische NIR-Leistung von mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se–basierter Photodetektor. a Lichtempfindlichkeit, b externe Quanteneffizienz und c Detektivität als Funktion der NIR-Wellenlängen

Im Allgemeinen haben 2D-Schichtmaterialien noch keine so hohe Empfindlichkeit im NIR-Detektionsbereich gezeigt. Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) beispielsweise haben normalerweise zu große Bandlücken, um IR-Licht zu detektieren [17], während Graphen eine schnelle Photoreaktion, aber eine sehr geringe intrinsische Empfindlichkeit von weniger als zehn mA/W zeigt [25]. Obwohl die Photoempfindlichkeit durch die Herstellung atomarer Heterostrukturen verbessert werden kann [26,27,28], funktioniert sie bei der NIR-Detektion immer noch nicht perfekt. Verglichen mit anderen 2D-Materialien (Tabelle 1), mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se-basierter Photodetektor zeigt eine noch bessere photoelektrische Leistung, insbesondere einen hohen R und ein hohes η . Bemerkenswert, wenn die chemische Ätzung angewendet wurde, um die Geometrie des mehrschichtigen Bi₂ . zu optimieren O₂ Mit Nanofilmen [15] kann die Leistung des Geräts weiter verbessert werden.

Der physikalische Photoreaktionsprozess von Bi₂ O₂ Se-basierte Photodetektoren können durch ein einfaches Energiebanddiagramm erklärt werden (Abb. 4a). Ohne Beleuchtung und ohne Anlegen einer Drain-Vorspannung befindet sich die Vorrichtung in ihrem Gleichgewichtszustand und ohne Stromfluss im Kanal. Das Beleuchten des Geräts mit NIR-Licht führt zu einer Lichtabsorption und Anregung von Elektron-Loch-Paaren, die durch Anlegen einer Drain-Source-Vorspannung extrahiert werden können [29,30,31]. Da die Schottky-Barriere in Bi₂ O₂ Der Se-Metall-Kontakt ist sehr gering, die photogenerierten Ladungsträger könnten die Barriere leicht passieren [16,17,18]. Daher mehrschichtiges Bi₂ O₂ Der auf Se basierende Photodetektor zeigte eine ausgezeichnete photoelektrische Leistung.

Physikalischer Mechanismus von mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se–basierter Photodetektor. a Das Verhalten photogenerierter Ladungsträger von mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se-basierter Photodetektor. Hier, E_F ist die Energie des Fermi-Niveaus, E_C ist das minimale Leitungsband, E_V ist das maximale Valenzband. b Der Rekombinationsprozess ("Ein"-Zustand zu "Aus-Zustand") von Bi₂ O₂ Se-basierter Photodetektor. Hier ist CB das Leitungsband, CV ist das Valenzband, E_vac ist Vakuumenergie, EA ist elektronische Affinität

Wichtig ist, dass der Mechanismus der verbesserten photoelektrischen Leistung diskutiert werden sollte. Theoretisch ist die optische Adsorption von mehrschichtigem Bi₂ O₂ Se ist höher als in Dünnschicht-Bi₂ O₂ Se, das höhere Photoströme I . induzieren kann _ph [14, 20]. Die einfallende Leistung P(x) als Funktion des Abstands x könnte ausgedrückt werden als P(x) =P _in ·e ^−α·x , wobei α ist der Absorptionskoeffizient von Bi₂ O₂ Se-Nanofilme bei der einfallenden Photonenenergie. Die Energiemenge, die von einer Platte aus Bi₂ . absorbiert wird O₂ Se mit DickeΔx im Abstand x von der Oberfläche ist dR _a =− (dP/dx)·Δx . Dann wird die vom Bi₂ . aufgenommene Gesamtleistung O₂ Se Film der Dicke d ist R _a =P _in ·(1 − e ^−α·d ). Für α·d <<1, kann die absorbierte Leistung als R . geschrieben werden _a =P _in ·α·d [16, 19]. Hier ist die Dicke d von in unserem Experiment ist das 5-fache und das 3-fache von Ref. [7] und Lit. [8] bzw. Tatsächlich ist mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se-Nanofilme in unserer Arbeit hätten eine bessere R . Mit zunehmender optischer Adsorption wurde jedoch mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se haben einige Nachteile, wie z. B. eine höhere Zustandsdichte (DOS), wodurch im Vergleich zu Monoschichten (oder Dünnschichten) mehr Mid-Gap-Zustände verursacht werden [13, 14]. Wie Fig. 4b zeigt, werden die angeregten Elektronen in höheren Bändern des mehrschichtigen Bi₂, wenn das Gerät vom „Ein-Zustand“ in den „Aus-Zustand“ wechselt O₂ Se wird zuerst in die Mid-Gap-Zustände übergehen und dann zum Grundband zurückkehren [16, 17, 19]. Mit anderen Worten, die Trägerlebensdauer τ wird sich unweigerlich neigen. Die gleiche Situation tritt ein, wenn das Gerät vom „Aus-Zustand“ in den „Ein-Zustand“ wechselt. Interessanterweise im Vergleich zu früheren Arbeiten mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se-Nanofilme haben immer noch eine schnelle Reaktionszeit, die in vielen Anwendungen erfüllt wird [1,2,3]. Dies bedeutet, dass die Existenz von Mid-Gap-Zuständen der dynamischen Leistung von Bi₂ . nicht abträglich sein darf O₂ Se Nanofilme. Zuletzt für stark verbessertes η , zwei Hauptgründe spielen eine entscheidende Rolle. Erstens verbessern die erhöhten Schichten die Absorption einfallender Photonen. Darüber hinaus ermöglicht die Existenz von Mid-Gap-Zuständen mehr Übergangskanäle für angeregte Elektronen. Also, η steigt signifikant an [16, 19].

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir die photoelektrischen Eigenschaften von mehrschichtigem Bi₂ . vorgestellt O₂ Se (Dicke ~ 30 nm)–basierter Photodetektor. Mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se zeigt eine ultraempfindliche Photoreaktion von 850 bis 1550 nm mit guter Reproduzierbarkeit bei Raumtemperatur, einschließlich einer hohen Photoempfindlichkeit, einer schnellen Reaktionszeit, einer hohen externen Quanteneffizienz und einer hohen Detektionsrate. Die Ergebnisse zeigen, dass mehrschichtiges Bi₂ O₂ Se hat eine relativ bessere Lichtempfindlichkeit als dünne Schichten.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

NIR:

Nahinfrarot

IR:

Infrarot

TFT:

Dünnschichttransistor

AFM:

Rasterkraftmikroskop

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

Lebenslauf:

chemische Gasphasenabscheidung

TMDs:

Übergangsmetalldichalkogenide