Bi₂O₂Se-Nanofilme ermöglichen außergewöhnliche Nahinfrarot-Photodetektion: 101 A/W Verantwortlichkeit, 30 ms Ansprechzeit, 20.300 % Quantenausbeute

Zusammenfassung

Die nahinfraroten (NIR) photoelektrischen Eigenschaften von mehrlagigen Bi₂O₂Se-Nanofilmen wurden in dieser Arbeit systematisch untersucht. Mehrlagige Bi₂O₂Se-Nanofilme zeigen eine empfindliche Photoreaktion auf NIR, einschließlich einer hohen Photoverantwortlichkeit (~ 101 A/W), einer schnellen Ansprechzeit (~ 30 ms), einer hohen externen Quantenausbeute (~ 20.300 %) und einer hohen Detektionsrate (1,9 × 10¹⁰ Jones). Diese Ergebnisse zeigen, dass Bauelemente basierend auf mehrlagigen Bi₂O₂Se-Nanofilmen großes Potenzial für zukünftige Anwendungen in ultraschnellen, hochempfindlichen NIR-optoelektronischen Geräten haben könnten.

Hintergrund

Infrarot-Photodetektoren (IR) wurden aufgrund ihrer sensiblen Anwendungen in militärischen, kommerziellen, öffentlichen und akademischen Bereichen breit untersucht und erforscht [1,2,3]. Im vergangenen Jahrzehnt haben sich zweidimensionale (2D) Materialien, beispielsweise Graphen, Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) und schwarzer Phosphor, als vielversprechende Kandidaten mit großem Potenzial für Infrarotanwendungen herausgebildet [4,5,6,7,8,9]. Aufgrund der faszinierenden Eigenschaften von 2D-Materialien, einschließlich ultradünner Dicke, hoher mechanischer Flexibilität, geeignetem und einstellbarem Bandabstand, ultraschnellen optoelektronischen Eigenschaften und leicht anpassbaren van-der-Waals-Heterostrukturen, wurden 2D-Schichtmaterialien als wettbewerbsfähige IR-Medien für Photodetektoren der nächsten Generation betrachtet [10,11,12].

Sehr kürzlich wurde geschichteter Bismutoxyselenid (Bi₂O₂Se) als vielversprechender 2D-Halbleiter mit hoher Elektronenbeweglichkeit, ultrakurzer Photoreaktion, exzellenter Umgebungsstabilität und einfacher Großproduktion durch ein einfaches chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) entdeckt, was ihn für elektronische und optoelektronische Anwendungen attraktiv macht [7, 8, 13,14,15]. Zuvor berichteten He Jun et al. [7] und Peng Hailin et al. [8] nacheinander, dass Bi₂O₂Se exzellente photoelektrische Eigenschaften im Nahinfrarot (NIR) besitzt. Sie befassten sich jedoch hauptsächlich mit dünnschichtigen Bi₂O₂Se (Dicke ~ 7 nm). Frühere Studien zu anderen 2D-Materialien wie MoS₂ [16] und MoSe₂ [17, 18] zeigten, dass mehrlagige Nanoflakes ebenfalls eine außergewöhnliche photoelektrische Leistung im Vergleich zu Monolagen oder dünnen Schichten aufweisen. Tatsächlich könnte mehrlagiges Bi₂O₂Se für FET-Anwendungen in Dünnschichttransistor-Konfiguration (TFT) attraktiver sein als dünnschichtiges Bi₂O₂Se [16, 19]. Beispielsweise ist die Zustandsdichte in mehrlagigem Bi₂O₂Se viel höher als in dünnschichtigem Bi₂O₂Se, was im ballistischen Limit beträchtlich hohe Treiberströme erzeugen kann [13, 14]. In Langkanal-TFTs können durch Feldeffekte in mehrlagigem Bi₂O₂Se mehrere Leitkanäle erzeugt werden, was den Stromtreiber von TFTs steigern kann, ähnlich wie bei Silicium-auf-Isolator-MOSFETs [19]. Zudem bietet mehrlagiges Bi₂O₂Se ein breiteres Spektralantwortverhalten als dünnschichtiges Bi₂O₂Se aufgrund seines schmaleren Bandabstands, was in einer Vielzahl von Photodetektoranwendungen vorteilhaft sein kann [20]. Doch mehrlagige Bi₂O₂Se-basierte Photodetektoren wurden für den Einsatz in Elektronik oder Optoelektronik noch nicht umfassend untersucht.

Daher wurden die NIR-photoelektrischen Eigenschaften von mehrlagigem Bi₂O₂Se (Dicke ~ 30 nm) in dieser Arbeit systematisch untersucht. Der auf mehrlagigem Bi₂O₂Se basierende Photodetektor demonstriert eine ultraempfindliche Photoreaktion von 850 bis 1550 nm mit guter Reproduzierbarkeit bei Raumtemperatur. Seine Photoverantwortlichkeit erreicht 101 A/W bei 1000 nm, zusammen mit einer schnellen Anstiegszeit und einer Abfallzeit von 30 ms bzw. 60 ms. Im Vergleich zu dünnschichtigem Bi₂O₂Se hat mehrlagiges Bi₂O₂Se eine höhere Photoverantwortlichkeit und externe Quantenausbeute, behält aber dennoch eine relativ schnelle Ansprechzeit und hohe Detektionsrate bei. Zusätzlich zeigt der Photostrom eine lineare Abhängigkeit von der einfallenden Leistung, was eine gute Einstellbarkeit für vielseitige Anwendungen bietet. Diese Ergebnisse eröffnen Möglichkeiten für die Entwicklung der nächsten Generation ultrasensitiver Hochleistungs-NIR-Raumtemperatur-Photodetektoren.

Methoden

Wachstum und Charakterisierung von Bi₂O₂Se

Die Bi₂O₂Se-Nanofilme wurden mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) synthetisiert. Bi₂O₃ und Bi₂Se₃ (Alfa Aesar) wurden im Zentrum des horizontalen Röhrenofens (Lindberg/Blue M) platziert, und die Glimmersubstrate (Tiancheng Fluorphlogopite Mica Company Ltd., China) wurden stromabwärts als Substrate positioniert. Der Ofen wurde zunächst mit einer Aufheizrate von 30 °C/min auf 640 °C erhitzt und 60 Minuten unter Argon-Gasfluss gehalten. Schließlich wurde der Ofen natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt. Die synthetisierten Proben wurden mit optischem Mikroskop (Olympus BX51), Ramanspektroskopie (WiTec 300R), Rasterkraftmikroskop (Halbkontaktmodus, NT-MDT Company) und Rasterelektronenmikroskop (FEI Company) charakterisiert. Hierbei wurde zunächst 10 nm Aluminium thermisch aufgedampft, um den Ladungseffekt des Glimmersubstrats vor der SEM-Charakterisierung zu vermeiden.

Bauelementfertigung

Der Photodetektor basierend auf mehrlagigem Bi₂O₂Se wurde durch Standard-Mikro-Nano-Technologie gefertigt. Quelle und Drain-Kontakte wurden durch Elektronenstrahllithografie definiert, gefolgt von der Abscheidung eines 5 nm Cr/50 nm Au Metallstapels mittels Elektronenstrahlverdampfung. Beachten Sie, dass zur Verhinderung von Ladungsakkumulation auf dem Glimmersubstrat während des EBL-Prozesses ein leitfähiges Polymer-Photoresist (SX AR-PC-5000) vor dem EBL-Prozess auf den Glimmer aufgesponnen wurde. Schließlich wurde das Bauelement auf dem Chip-Träger für weitere photoelektrische Messungen bondiert.

Leistungsmessung

Die Photostrommessungen wurden an einer eigens entwickelten Xenonlampen-Plattform (Lichtquelle: BETICAL HDL-II) durchgeführt. Bei der Messung wurde ein Keithley 2450 zur Versorgung der Source-Drain-Vorspannung verwendet. Durch Ein- und Ausschalten des Lichts wurden die Drainströme im Ein-/Aus-Zustand erfasst. Die photoelektrische Reaktion des Bauelements bei verschiedenen Wellenlängen (850–1550 nm) konnte durch Austausch verschiedener Filter erhalten werden.

Ergebnisse und Diskussion

Wie Abb. 1a zeigt, weist geschichteter Bi₂O₂Se eine tetragonale Struktur mit I4/mmm Raumgruppe auf und besteht aus planar kovalent gebundenen Oxidschichten (Bi₂O₂), die von Se-Quadratarrays mit relativ schwachen elektrostatischen Wechselwirkungen eingeschlossen sind [21]. Diese Struktur ähnelt Glimmer. Daher werden zweidimensionale Bi₂O₂Se-Nanofilme bisher alle auf Glimmersubstraten mittels CVD-Verfahren synthetisiert [7, 14, 15]. Abb. 1b zeigt eine großflächige optische Ansicht der als gewachsenen mehrlagigen Bi₂O₂Se-Nanofilme auf Glimmer. Es ist deutlich zu sehen, dass die Nanofilme gleichmäßig und fast rechteckig geformt sind. Ein Rasterkraftmikroskop (AFM) Bild der Bi₂O₂Se-Nanofilme in unserem Experiment ist in Abb. 1c dargestellt. Gemäß der theoretischen Monolagendicke (≈ 0,61 nm) [14, 15] entspricht 30 nm (Abb. 1d) der Dicke von etwa 49 Lagen. Abb. 1e zeigt die XRD-Muster der Bi₂O₂Se-Nanofilme. Erkennbare Peaks werden alle (00l) Beugungsebenen von Bi₂O₂Se zugeordnet (die kristalline Orientierung liegt entlang der c-Achse), konsistent mit früheren Studien [14]. Der charakteristische A₁g-Peak von Bi₂O₂Se findet sich bei ≈ 159,1 cm⁻¹ im Ramanspektrum (Abb. 1f), in guter Übereinstimmung mit früheren Berichten [22]. Abb. 1g zeigt die typische I-V-Kennlinie des Bi₂O₂Se-Bauelements. Die exzellente lineare I-V-Kennlinie zeigt, dass ohmsche Kontakte gebildet sind. Zudem demonstriert der 2D Bi₂O₂Se-basierte Photodetektor eine exzellente Umgebungsstabilität, was ein Schlüsselmaßstab für zukünftige praktische Anwendungen ist [14, 15]. Aus Abb. 1h beträgt die gemessene Länge und Breite des Bauelements 29 µm bzw. 91 µm.

Wie Abb. 2a zeigt, wurde die photoelektrische Reaktion des mehrlagigen Bi₂O₂Se-basierten Photodetektors auf NIR gezielt gemessen. Hier diskutieren wir hauptsächlich die Leistung des Bauelements im Telekommunikationsband (1550 nm), das breit in militärischen, kommerziellen, öffentlichen und akademischen Bereichen angewendet wird. Aus Abb. 2b ist ersichtlich, dass I_DS offensichtlich mit steigender Lichtintensität zunimmt. Zudem zeigt die I-V-Kurve des Bauelements unter Beleuchtung keine offensichtliche Leerlaufspannung und keinen Kurzschlussstrom. Dies deutet darauf hin, dass die Schottky-Barriere, die zwischen Elektrode und Material gebildet wird, keine entscheidende Rolle in den Transportcharakteristiken des Bauelements spielt. Daher sollte die photoelektrische Reaktion des Materials hauptsächlich vom Photoleitungseffekt herrühren [10].

Zur Bewertung der Photodetektorleistung sind Photoverantwortlichkeit (R), externe Quantenausbeute (η) und Detektivität (D*) kritische Parameter, die durch folgende Formeln berechnet werden können [10, 17]:

$$ R = I_{ph} / PS $$ (1)
$$ \eta(\lambda) = R_\lambda hc / q\lambda $$ (2)
$$ D^* = I_{ph} / P(2 q S I_d)^{1/2} $$ (3)

wobei I_ph der Photostrom (Differenz des Drainstroms zwischen beleuchtetem (I_i) und dunklem (I_d) Zustand), P die Lichtintensität, S die effektive Fläche, h das Plancksche Wirkungsquantum, c die Lichtgeschwindigkeit, λ die Lichtwellenlänge und q die Elementarladung ist. Hier nehmen wir an, dass der Dunkelstrom der Hauptbeitrag zum Schrotrauschen ist, und leiten Gleichung (3) ab [7]. Diese Vereinfachung wurde zur Bewertung der Photoreaktion von 2D-Schichtmaterialien wie Graphen [23] und WSe₂ [24] verwendet.

Wie aus Abb. 2c ersichtlich, zeigt das Bauelement eine sehr stabile und reproduzierbare Photoreaktion auf 1550 nm Licht nach mehreren Zyklen. Seine Ansprechzeit ist extrem schnell und erreicht 30 ms im Anstieg und 60 ms im Abfall. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die als gewachsenen ultradünnen Bi₂O₂Se-Nanofilme keine Oberflächenfallenzustände und flachen Defektenergieniveaus besitzen. Schließlich zeigt Abb. 2d, dass I_ph monoton mit zunehmendem P ansteigt, folgend einer Beziehung I ~ P^α. Hier wird α für Bi₂O₂Se durch Anpassung der Experimentaldaten auf 0,99 bestimmt, was suggeriert, dass der Photostrom hauptsächlich von der Menge absorbierter Photonen bestimmt wird [7]. Die Photoverantwortlichkeit von mehrlagigen Bi₂O₂Se-basierten Photodetektoren beträgt ca. 68 A/W, was eine extrem hohe Leistung als Photodetektor zeigt.

Anschließend wurde die photoelektrische Reaktionsleistung des mehrlagigen Bi₂O₂Se-basierten Photodetektors auf NIR-Wellenlängen (850–1550 nm) systematisch untersucht. Gemäß der Berechnung mit den angegebenen Formeln (1)–(3) werden Photoverantwortlichkeit, externe Quantenausbeute und Detektivität in Abb. 3 demonstriert. Es zeigt sich, dass das Bauelement eine sehr hohe Photoverantwortlichkeit im NIR-Band aufweist, die 101 A/W (900 nm) erreicht. Zudem besitzt der mehrlagige Bi₂O₂Se-basierte Photodetektor eine ultrahohe η, die bei 850 nm 20.000 % übersteigt, was seine exzellente photoelektrische Umwandlungsfähigkeit anzeigt. Seine Detektionsrate kann 1,9 × 10¹⁰ bei 900 nm erreichen, was ein perfektes Signal-Rausch-Verhältnis als Photodetektor zeigt. In unserer Messung bleibt der Dunkelstrom des Bauelements immer bei einem relativ stabilen Wert (0,5 µA). Daher ist der Trend von D* (als Funktion der einfallenden Wellenlänge) ähnlich dem Trend von R. Offensichtlich hat mehrlagiges Bi₂O₂Se im Vergleich zu dünnschichtigem Bi₂O₂Se, berichtet in Ref. [7] und Ref. [8], eine höhere photoelektrische Verantwortlichkeit und externe Quantenausbeute (Source-Drain-Bias-Spannung 1 V, identisch mit Ref. [7] und Ref. [8]), behält aber dennoch eine relativ schnelle Ansprechzeit und hohe Detektionsrate bei. Bemerkenswert ist, dass Ref. [8] nur die intrinsische Ansprechzeit (1 ps) des Materials durch Pump-Probe-Technik berichtete, aber keine Bauelement-Ansprechzeit von Bi₂O₂Se-Photodetektoren [8].

Im Allgemeinen haben 2D-Schichtmaterialien noch nicht eine so hohe Empfindlichkeit im NIR-Detektionsbereich gezeigt. Beispielsweise haben Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) meist zu große Bandlücken, um IR-Licht zu detektieren [17], während Graphen zwar hochschnelle Photoreaktion zeigt, aber sehr geringe intrinsische Empfindlichkeit unter Zehner mA/W [25]. Obwohl die Photoverantwortlichkeit durch Fertigung atomarer Heterostrukturen verbessert werden kann [26,27,28], performt es im NIR-Detektionsbereich noch nicht perfekt. Im Vergleich zu anderen 2D-Materialien (Tabelle 1) zeigt der mehrlagige Bi₂O₂Se-basierte Photodetektor eine exzellentere photoelektrische Leistung, besonders eine hohe R und eine hohe η. Bemerkenswert ist, dass bei Anwendung von chemischem Ätzen zur Optimierung der Geometrie der mehrlagigen Bi₂O₂Se-Nanofilme [15] die Bauelementleistung weiter verbessert werden könnte.

Der photoelektrische Reaktionsphysikalische Prozess von Bi₂O₂Se-basierten Photodetektoren kann durch ein einfaches Energiebanddiagramm erklärt werden (Abb. 4a). Ohne Beleuchtung und ohne Drain-Bias liegt das Bauelement im Gleichgewichtszustand ohne Stromfluss im Kanal. Die Beleuchtung des Bauelements mit NIR-Licht führt zu Lichtabsorption und Anregung von Elektron-Loch-Paaren, die durch Anlegen einer Drain-Source-Vorspannung extrahiert werden können [29,30,31]. Da die Schottky-Barriere im Bi₂O₂Se-Metall-Kontakt sehr niedrig ist, können die photogenerierten Ladungsträger die Barriere leicht passieren [16,17,18]. Daher zeigte der mehrlagige Bi₂O₂Se-basierte Photodetektor eine exzellente photoelektrische Leistung.

Wichtig ist, der Mechanismus der verbesserten photoelektrischen Leistung zu diskutieren. Theoretisch ist die optische Absorption von mehrlagigem Bi₂O₂Se höher als die von dünnschichtigem Bi₂O₂Se, was höhere Photoströme I_ph induzieren kann [14, 20]. Die einfallende Leistung P(x) als Funktion der Distanz x kann als P(x) = P_in · e^(−α·x) ausgedrückt werden, wobei α der Absorptionskoeffizient der Bi₂O₂Se-Nanofilme bei der einfallenden Photonenenergie ist. Die von einer Bi₂O₂Se-Schicht der Dicke Δx bei Distanz x von der Oberfläche absorbierte Leistungsmenge beträgt dR_a = − (dP/dx)·Δx. Die gesamte von dem Bi₂O₂Se-Film der Dicke d absorbierte Leistung ist R_a = P_in · (1 − e^(−α·d)). Für α·d ≪ 1 kann die absorbierte Leistung als R_a = P_in · α·d geschrieben werden [16, 19]. Hier beträgt die Dicke d in unserem Experiment das 5-fache und 3-fache von Ref. [7] bzw. Ref. [8]. Tatsächlich würden mehrlagige Bi₂O₂Se-Nanofilme in unserer Arbeit eine bessere R_a haben. Allerdings haben mehrlagige Bi₂O₂Se trotz der Zunahme der optischen Absorption einige Nachteile, wie eine höhere Zustandsdichte (DOS), was mehr Mittellückenzustände im Vergleich zur Monolage (oder dünnen Schicht) verursacht [13, 14]. Wie Abb. 4b zeigt, wenn das Bauelement vom „Ein-Zustand“ in den „Aus-Zustand“ übergeht, werden die angeregten Elektronen in höheren Bändern von mehrlagigem Bi₂O₂Se zunächst in die Mittellückenzustände übergehen und dann in das Grundband zurückkehren [16, 17, 19]. Mit anderen Worten, die Trägerlebensdauer τ wird unweigerlich ansteigen. Die gleiche Situation tritt auf, wenn das Bauelement vom „Aus-Zustand“ in den „Ein-Zustand“ übergeht. Interessanterweise haben mehrlagige Bi₂O₂Se-Nanofilme im Vergleich zu früheren Arbeiten immer noch eine schnelle Ansprechzeit, die in vielen Anwendungen zufriedenstellend ist [1,2,3]. Dies bedeutet, dass die Existenz von Mittellückenzuständen nicht nachteilig für die dynamische Leistung der Bi₂O₂Se-Nanofilme sein muss. Schließlich spielen für die stark erhöhte η zwei Hauptgründe entscheidende Rollen. Erstens verbessern die erhöhten Lagen die Absorption einfallender Photonen. Zweitens erlauben die Mittellückenzustände mehr Übergangswege für angeregte Elektronen. Daher steigt η signifikant [16, 19].

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir die photoelektrischen Eigenschaften von mehrlagigem Bi₂O₂Se (Dicke ~ 30 nm) basierten Photodetektoren vorgestellt. Mehrlagiges Bi₂O₂Se demonstriert eine ultraempfindliche Photoreaktion von 850 bis 1550 nm mit guter Reproduzierbarkeit bei Raumtemperatur, einschließlich hoher Photoverantwortlichkeit, schneller Ansprechzeit, hoher externer Quantenausbeute und hoher Detektionsrate. Die Ergebnisse zeigen, dass mehrlagiges Bi₂O₂Se eine relativ bessere Photoreaktion aufweist als dünnschichtiges Bi₂O₂Se.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.

Abkürzungen

NIR:

Nahinfrarot

IR:

Infrarot

TFT:

Dünnschichttransistor

AFM:

Rasterkraftmikroskop

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

CVD:

Chemische Gasphasenabscheidung

TMDs:

Übergangsmetall-Dichalkogenide