Hochleistungs-Wellenlängen-selektiver Photodetektor mit einzelnen CdSSe-Nanobändern

Zusammenfassung

CdSSe-Nanobänder (NBs) werden durch thermische Verdampfung synthetisiert und anschließend durch Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgendiffraktion (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), hochauflösende Elektronenmikroskopie (HRTEM), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Photolumineszenz (PL) und Kathodolumineszenz (KL) charakterisiert. Es zeigt sich, dass die CdSSe-NBs eine gute Morphologie und Mikrostruktur ohne Defekte aufweisen. KL ist empfindlich gegenüber Defekten der CdSSe-NBs; somit können wir einzelne Nanobänder mit homogener KL-Emission zur Detektorherstellung auswählen. Basierend darauf wurde der Photodetektor aus einzelnen CdSSe-NBs entwickelt und seine photoelektrischen Eigenschaften detailliert untersucht. Es zeigt sich, dass bei Bestrahlung mit weißem Licht und einer Biasspannung von 1 V der Photostrom eines einzelnen CdSSe-Nanobänder-Bauelements 1,60 × 10⁻⁷ A beträgt, der Dunkelstrom 1,96 × 10⁻¹⁰ A und das Verhältnis von Licht- zu Dunkelstrom 816 beträgt. Zusätzlich weist der CdSSe-Nanobänder-Detektor hohe photoelektrische Leistung mit spektraler Responsivität von 10,4 AW⁻¹ und externer Quantenausbeute (EQE) von 19,1 % auf. Seine Anstiegs-/Abfallzeit beträgt etwa 1,62/4,70 ms. Diese Arbeit bietet eine neuartige Strategie für das Design wellenlängengesteuerter Photodetektoren durch Anpassung ihrer Zusammensetzung.

Hintergrund

Kürzlich wurden Halbleiter-Nanomaterialien breit als optoelektronische Bauelemente untersucht, wie Leuchtdioden [1, 2], photovoltaische Bauelemente [3], Solarzellen [4, 5], elektrochemische H₂-Generierung [6, 7] und Photodetektoren [8,9,10]. CdS und CdSe sind II-VI-Halbleitermaterialien mit Bandlücken bei Raumtemperatur von 2,42 und 1,74 eV. Sie gelten als beste Materialien für die Herstellung von Photodetektoren, da ihre Bandlücke der Absorptionswellenlänge im sichtbaren Lichtbereich entspricht [11, 12].

Eindimensionale Nanostrukturen wie Nanodrähte [13], Nanobänder [14] und Nanoröhren [15] wurden in Sensoren und Photodetektoren aufgrund ihrer hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisse, physikalischen und chemischen Eigenschaften [16] verwendet. Unter ihnen wurden einige Nanostrukturen wie ZnO [17], CdS [18], CdSe [19], MoS₂ [20], ZnₓCd₁₋ₓSe [21], CdS₁₋ₓSeₓ [22] und ZnₓCd₁₋ₓS [23] in der Herstellung von Photodetektoren eingesetzt. Pan et al. berichteten, dass der Photodetektor basierend auf CdS₀.₄₉Se₀.₅₁/CdS₀.₉₁Se₀.₀₉ Heterostruktur gute Leistung aufweist [24]. Allerdings bleibt die Entwicklung eines hochresponsiven und selektiven Detektors mit exzellenter Leistung eine Herausforderung.

In dieser Arbeit wurden CdSSe-Nanobänder (NBs) durch thermische Verdampfung synthetisiert. Wir unternehmen die Herstellung und Charakterisierung einzelner CdSSe-Bauelemente. Danach wurden die photoelektrischen Eigenschaften einzelner CdSSe-NB-Bauelemente systematisch untersucht. Basierend darauf führten wir die Kathodolumineszenz (KL) von CdSSe-NB bei Raumtemperatur und niedriger Temperatur durch und fanden, dass KL empfindlich auf Defekte der CdSSe-NBs reagiert. Daher wählen wir Nanobänder mit perfekter Mikrostruktur durch KL aus, um Bauelemente zu entwerfen, damit sie unsere gewünschten Eigenschaften erreichen können.

Methoden

Herstellung von CdSSe-Nanobändern

Einkristalline CdSSe-NBs wurden durch thermische Verdampfung hergestellt. Zur Synthese von CdSSe-NBs wurde ein Gemisch aus reinem CdS-Pulver (99,99 Gew.-%) und CdSe-Pulver (99,99 Gew.-%) im Gewichtsverhältnis 1:1 vorgemischt und in ein Keramikboot gegeben. Das Keramikboot wurde in die Mitte des Quarzrohrs platziert. Ein Siliziumsubstrat, beschichtet mit etwa 10 nm Au-Film, wurde in das Rohr gelegt; der Abstand zwischen Siliziumsubstrat und Keramikboot 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 an verschiedenen Positionen des Si-Substrats abgeschieden. Im gesamten Experiment floss Ar-Gas mit 20 sccm, und der Druck im Rohr wurde bei 112 Torr gehalten.

Materialcharakterisierung

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

Herstellung des Nanobänder-Bauelements

Ti/Au-Elektroden wurden an den beiden Enden eines einzelnen Nanobänders auf Si-Substrat mit einer 500-nm-dicken SiO₂-Schicht abgeschieden, und das Bauelement war fertiggestellt. Der detaillierte Fertigungsprozess der Bauelemente wird in der Literatur [25] referenziert. Der unbedeckte Teil der Nanobänder war dem einfallenden Licht ausgesetzt. Abbildung 1 zeigt das schematische Diagramm des Bauelementtests.

Photoelektrische Charakterisierung

Die Messung der photoelektrischen Leistung der Nanobänder wurde mit einem Keithley 4200 Halbleitersystem und dem Monochromatorspektrometer durchgeführt. Der Photostrom des Bauelements wurde durch Veränderung des senkrecht auf das Bauelement einfallenden Lichts gemessen, und I–V-Kurven wurden durch Zwei-Punkt-Messung durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a zeigt ein REM-Bild der hergestellten CdSSe-NBs. Es zeigt sich, dass die CdSSe-NBs gute Morphologie und einheitliche Breite und Längen bis zu hunderten von Mikrometern aufweisen. Abbildung 2b ist ein hochvergrößertes REM-Bild der CdSSe-Nanobänder. Es wird beobachtet, dass das Nanoband dünn und einheitlich mit 2,632 µm Breite ist. Abbildung 2c und ihr Inset präsentieren das TEM-Hellfeldbild und das Selected-Area-Diffractionsmuster (SAD) eines einzelnen Nanobänders mit einer Breite von 2,94 µm und einer Dicke von weniger als 50 nm. Das SAD-Muster bestätigt die Einkristallqualität und kann einer hexagonalen Struktur mit Gitterparametern a = 4,177 Å und c = 6,776 Å zugeordnet werden. Das entsprechende HRTEM-Bild ist in Abb. 2d dargestellt, und der Gitterabstand zwischen angrenzenden Ebenen beträgt 0,34 nm, entsprechend der (110) Kristallebene. Dementsprechend ist seine Wachstumsrichtung entlang [110].

EDX und Mapping der CdSSe-Nanobänder sind in Abb. 3 gezeigt. REM-Bild einer Probe bei niedriger Vergrößerung ist in Abb. 3a dargestellt. Es wird beobachtet, dass die gesamte Region mit Nanobändern bedeckt ist. Abbildung 3b zeigt die Gesamtverteilungen von Cd, S und Se. Die Mappings der Cd-, S- und Se-Elemente sind in Abb. 3c–e bzw. dargestellt. Es zeigte sich, dass Cd, S und Se einheitlich in den gesamten Nanobändern verteilt sind. Das von denselben Nanobändern gesammelte EDX-Spektrum ist in Abb. 3f präsentiert, was anzeigt, dass das Nanoband aus Cd-, S- und Se-Elementen besteht.

XRD- und XPS-Muster der CdSSe-NBs sind in Abb. 4 präsentiert. Alle Beugungspeaks können einer hexagonalen Struktur von CdS₀.₇₆Se₀.₂₄ mit Gitterparametern a = 4,177 Å und c = 6,776 Å zugeordnet werden, was mit der Standardkarte (JCPDS Nr. 49-1459) konsistent ist. Die Positionen der Beugungspeaks (2θ = 24,72°, 26,35°, 28,13°, 36,42°, 43,47°, 47,5°, 50,4°, 51,4° und 52,4°) stimmen mit den Kristallebenen (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) und (201) überein. Keine anderen Verunreinigungen werden detektiert. Die scharfen und schmalen Beugungspeaks zeigen, dass die erhaltenen CdSSe-Nanobänder gute Kristallinität aufweisen. Abbildung 4b zeigt die Bindungsenergien von Cd3d₅/₂ und Cd3d₃/₂ für die CdSSe-NBs bei 404,8 und 411,7 eV, jeweils, was nahe an den Werten liegt, die in früheren Arbeiten [26] berichtet wurden. Der Abstand zwischen den beiden Peaks beträgt 6,9 eV, was anzeigt, dass Cd-Atome in der vollständigen CdS-Phase vorliegen [27]. Die Deconvolution des S(2p)-Peaks zeigt zwei Gaußsche Peaks, zentriert bei 160,7 und 165,1 eV in Abb. 4c. Das Valenzelektronenspektrum von Se(3d) ist in Abb. 4d dargestellt, in dem nur ein Peak bei 53,5 eV beobachtet wurde. Daher bestätigen die XPS-Ergebnisse, dass die Nanobänder aus Cd-, S- und Se-Elementen bestehen.

Abbildung 5 ist das Photolumineszenzspektrum der CdSSe-Nanobänder; es gibt zwei Peaks im Bereich von 500–1000 nm. Einer ist bei 603 nm zentriert und stammt von der Near-Band-Edge (NBE) Emission der CdSSe-Nanobänder. Der andere bei ~950 nm könnte mit Deep-Level-Emission zusammenhängen, die in In₂Se₃ und Ga₂Se₃ beobachtet wird [28, 29].

REM- und KL-Bilder des einzelnen CdSSe-Nanobänders sind in Abb. 6a, b beschrieben. Es zeigte sich, dass die Oberfläche der Nanobänder flach und glatt ist und die Helligkeit entlang seiner Länge heterogen ist. Abbildung 6c, d ist das räumlich aufgelöste KL-Spektrum desselben Nanobänders bei Raumtemperatur (295 K) und niedriger Temperatur (93 K). Es hob hervor, dass die KL-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 KLs bei 93 K stark mit unterschiedlichen Intensitäten von Punkt zu Punkt sind. Dieses Ergebnis stimmt gut mit dem KL-Bild überein. Zusätzlich liegt der charakteristische Peak bei 625 nm, keine Defektemission wird beobachtet, und die Intensität bei 93 K ist etwa 220-mal stärker als bei 295 K. Daher hat der CdSSe-NB gute lumineszente Eigenschaften bei niedriger Temperatur.

Abbildung 7a ist das REM-Bild des Nanobauelements, das visualisiert, dass das CdSSe-NB nicht einheitlich in der Breite ist. Die Breiten des gemessenen NBs betragen 30,85 und 36 µm und die Länge 9,754 µm, wie in Abb. 7a markiert. Die I–V-Kennlinien des CdSSe-NB-Bauelements sind in Abb. 7b unter dunklen Bedingungen und Weißlichtbestrahlung mit einer Leistungsdichte von 43,14 mW/cm² dargestellt. Wie zu sehen ist, steigt der Photostrom unter Weißlichtbestrahlung stark an, da das einfallende Licht Elektron-Loch-Paare erzeugt, was den Photostrom verbessert. Die lineare Form der I–V-Kurve deutete darauf hin, dass gute ohmsche Kontakte zwischen dem CdSSe-NB und Ti/Au-Elektroden gebildet wurden. Der Photostrom 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 die I–V-Kurve nach Logarithmierung und zeigt, dass der Photostrom drei Größenordnungen höher ist als sein Dunkelstrom.

Um die photoelektronischen Eigenschaften der Bauelemente weiter zu erforschen, maßen wir den Photostrom eines einzelnen CdSSe-NB-Bauelements, wie in Abb. 8 gezeigt. Bei einer angelegten Biasspannung von 1 V wird die spektrale Antwort des Bauelements im Bereich von 600 bis 800 nm in Abb. 8a dargestellt. Man sieht, dass die Antwort sehr stark ist, solange die Wellenlänge unter 674 nm liegt, und dann schwächer wird, wenn die Wellenlänge über 674 nm liegt. Abbildung 8b präsentiert die gemessene I–V-Kurve unter Bestrahlung von 674 nm Licht mit verschiedenen Leistungsdichten. Es zeigt sich, dass der Photostrom mit zunehmender Leistungsdichte zunimmt, was impliziert, dass die photogenerierte Trägerausbeute proportional zur Anzahl der absorbierten Photonen ist [30]. Der logarithmische Plot entsprechend Abb. 8b ist in Abb. 8c hervorgehoben. Er zeigte, dass das CdSSe-NB-Bauelement die beste Antwort bei einer Leistungsdichte von 6,11 mW/cm² hat. Abbildung 8d ist die Beziehung zwischen Photostrom und optischer Leistungsdichte. Durch Anpassen des leistungsdichteabhängigen Photostromwertes von Iₚ = AP^θ, wobei Iₚ der Photostrom, P die optische Leistungsdichte, A die wellenlängenabhängige Konstante, der Exponent θ den Photostromantwort mit Leistung bestimmt [31], wurde eine gute Anpassung der experimentellen Ergebnisse mit θ = 0,69 erhalten. Berichte über einen nicht-einheitlichen Exponenten mit 0,5 < θ < 1 deuten auf einen komplexen Prozess der Elektron-Loch-Generierung, Rekombination und Fallenbildung innerhalb des photoaktiven Materials hin [32], während die Intensitätsabhängigkeit mit θ < 0,5 aufgrund von Defektmechanismen entstehen kann, einschließlich sowohl Rekombinationszentren als auch Fallen. Daher bedeutet θ = 0,69, dass das CdSSe-Nanoband keine Defekte hat, was mit HRTEM und KL übereinstimmt.

Es ist bekannt, dass die spektrale Responsivität (R_λ) und externe Quantenausbeute (EQE) kritische Parameter für optische Bauelemente sind, die definiert werden können als R_λ = I_ph/(P_λ S) und EQE = hcR_λ/(qλ), wobei I_ph der Unterschied zwischen Photostrom und Dunkelstrom ist, P_λ die Lichtleistungsdichte, die auf das Nanoband bestrahlt wird, S die effektive beleuchtete Fläche, c die Lichtgeschwindigkeit, h das Plancksche Wirkungsquantum, q die Elementarladung und λ die Anregungswellenlänge [33, 34]. Wir berechneten die entsprechenden R_λ und EQE Werte des CdSSe-NB-Bauelements als 10,4 A/W und 19,1 %.

Abbildung 9a zeigt die Zeitantwort des CdSSe-NB-Detektors, gemessen durch periodisches Ein- und Ausschalten des 674-nm-Lichts mit einer Intensität von 4,87 mW/cm² bei einer Biasspannung von 1 V. Daraus sehen wir, dass das CdSSe-NB-Bauelement eine gute reversible Stabilität bei Schalteigenschaften aufweist. Abbildung 9b ist die Spannungsanstiegs- und Abfallflanke eines Widerstands, gemessen mit dem Oszilloskop. Sie spiegelt den Photoleitfähigkeits-Anstiegszeit und Abfallzeit des CdSSe-NB wider. Mit und ohne Bestrahlung von 674-nm-Licht (4,87 mW/cm²) ändert sich die Spannung des Widerstands. Man sieht, dass die Anstiegs-/Abfallzeit 1,62/4,70 ms beträgt. Wir verglichen wichtige Parameter unseres Photodetektors mit denen anderer basierend auf einzelnen Nanobändern oder Nanosheets (NS). Es zeigte sich, dass die R_λ des CdSSe-NB-Bauelements in dieser Arbeit größer ist als die anderer Nanostruktur-Photodetektoren wie CdS [34] und ZnS NB [35], BiO₂Se [36], GaSe [37], SnS [38] und Bi₂S₂ NS [39]. Die Abfallzeit 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 das Potenzial des CdSSe-NB für den Photodetektorbereich bestätigt.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurden CdSSe-NBs in einem Hochtemperaturofen durch thermische Verdampfung gezüchtet. Die erhaltenen Nanobänder wurden durch verschiedene Methoden charakterisiert. Es zeigt sich, dass die CdSSe-NBs eine perfekte Mikrostruktur ohne Defekte aufweisen und die Nanobänder aus Cd-, Se- und S-Elementen bestehen. Die KL-Ergebnisse zeigten, dass die Intensität des einzelnen CdSSe-Nanobänders bei niedriger Temperatur (93 K) stärker ist als bei Raumtemperatur (295 K), und das Signal-Rausch-Verhältnis ist bei 93 K besser. Danach entwickelten wir den CdSSe-Photodetektor basierend auf einzelnen NBs und untersuchten seine optoelektronischen Eigenschaften. Der Detektor erreichte hohe Leistung mit Responsivität von 10,4 A/W, Anstiegs-/Abfallzeit von 1,62/4,70 ms und externer Quantenausbeute (EQE) von 19,1 % bei 674 nm, was gute Stabilität und Wiederholbarkeit in den photoelektronischen Eigenschaften aufweist. Diese Arbeit ebnet den Weg für die Entwicklung kontinuierlich-wellenlängenselektiver sichtbarer Photodetektoren durch Abstimmung ihrer Zusammensetzung.

Abkürzungen

CL:

Kathodolumineszenz

EDX:

Energiedispersive Röntgenanalyse

EQE:

Externe Quantenausbeute

HRTEM:

Hochauflösende Elektronenmikroskopie

NB:

Nanoband

NBE:

Near-Band-Edge

NS:

Nanosheet

PL:

Photolumineszenz

R_λ:

Responsivität

SAD:

Selected-Area-Diffraction

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgendiffraktion