Ultrahochleistungs-UV-Vis-Photodetektor: ZnO-QD/Monolayer-MoS₂-Heterostruktur

Zusammenfassung

Monolayer MoS₂ hat ausgezeichnete Photoreaktions-Eigenschaften gezeigt, aber seine vielversprechenden Anwendungen in hochsensitiver Photodetektion leiden unter der durch die atomare Dicke begrenzten Absorption und der durch den Bandabstand begrenzten spektralen Selektivität. Hier haben wir Untersuchungen an Monolayer-MoS₂-basierten Photodetektoren mit und ohne Dekoration von ZnO-Quantenpunkten (ZnO-QDs) zum Vergleich durchgeführt. Im Vergleich zu Monolayer-MoS₂ Photodetektoren zeigt das Monolayer ZnO-QDs/MoS₂ Hybrid-Gerät schnellere Ansprechgeschwindigkeit (1,5 s und 1,1 s), erweiterten breitbandigen Photoreaktionsbereich (tiefes UV-sichtbar) und verbesserte Photoreaktion im sichtbaren Spektrum, wie höhere Responsivität über 0,084 A/W und größere Detektivität von 1,05 × 10¹¹ Jones, was auf die beträchtliche Injektion von Ladungsträgern von ZnO-QDs zu MoS₂ aufgrund der Bildung einer Typ-I-Heterostruktur an der Kontaktgrenzfläche zurückzuführen ist.

Highlights

1. Monolayer MoS₂ hat ausgezeichnete Photoreaktions-Eigenschaften gezeigt.
2. ZnO-QDs/MoS₂ Hybrid-Gerät zeigt schnellere Ansprechgeschwindigkeit, erweiterten breitbandigen Photoreaktionsbereich und verbesserte Photoreaktion im sichtbaren Spektrum.
3. Typ-I-Heterostruktur an der Kontaktgrenzfläche von ZnO-QDs/MoS₂.

Einleitung

Breitband-Photodetektoren sind wichtige Komponenten optoelektronischer Systeme, optischer Kommunikation, Umweltüberwachung usw. Besonders UV-Vis-Photodetektoren, einer der wichtigen Breitband-Photodetektoren, wurden in biomedizinischen Bildgebungssystemen, UV-Astronomie, breitbandigen Schaltern, Speichern usw. verwendet. Daher ist es sehr notwendig, verschiedene Materialien mit hochwirksamer Photoreaktion in diesem Breitbandbereich herzustellen. Als eines der am meisten untersuchten Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMD) hat 2D Molybdändisulfid (MoS₂) aufgrund reduzierter Dimensionalität, hoher Trägerbeweglichkeit, starker Elektron-Loch-Einschluss und hoher Lichtempfindlichkeit herausragendes Potenzial für den Bau verschiedener elektronischer und optoelektronischer Geräte gezeigt. Aufgrund des schmaleren Bandabstands von 1,8 eV für das Monolayer zeigt MoS₂ normalerweise ausgezeichnete Lichtabsorption im grünen Lichtbereich, nicht jedoch im UV-Vis-Bereich. Um diesen breitbandigen Photoreaktionsbereich zu erreichen, ist eine der effektivsten Lösungen die Konstruktion einer Heterojunktion mit anderen Halbleitern, die einen größeren Bandabstand besitzen, die nicht nur den Reaktionsbereich vom sichtbaren in den UV-Bereich erweitern kann, sondern auch photoerregte Ladungsträger injizieren kann, um den Photogewinn stark zu verbessern.

Typ-II-Heterojunktion ist der am meisten untersuchte Typ von zweidimensionalen Material-basierten Photodetektoren, in der eingebaute elektrische Felder Ladungsträger effizient trennen und somit den Photostrom erhöhen können, aber die Rekombinationszeit der Ladungsträger wird auch verlängert, was zu langsamer Ansprechzeit führt. Im Vergleich dazu erlaubt die Energiebandstruktur der Typ-I-Heterojunktion, dass Ladungen von einem Material mit größerem Bandabstand in ein Material mit schmalerem Bandabstand injiziert werden, was zur Akkumulation von Ladungen im schmaleren Bandabstandsmaterial führt. Darüber hinaus können in dem Material eingeschlossene Ladungen die Trägerrekombinationseffizienz erhöhen, so dass darauf basierende Geräte eine schnellere Ansprechzeit haben. Aufgrund der oben genannten Vorteile wurde der Typ-I-Heterojunktion beträchtliche Aufmerksamkeit gewidmet, besonders Heterojunktionen, die zwischen QDs und geschichteten Materialien gebildet werden. Diese 2D-0D Hybrid-Architekturen wurden kürzlich für ihre hohe Leistung als Photodetektoren in den Fokus gerückt, weil diese Struktur die Verbesserung der Lichtabsorption, die Bandabstands-Tunbarkeit, die Verringerung der Ansprech- und Abklingzeit und die Förderung der Konzentration photoerregter Ladungen, induziert durch die Typ-I-Heterojunktion zwischen den QDs und den geschichteten Materialien, fördert.

Unter verschiedenen Weitbandabstand-Halbleitern ist Zinkoxid (ZnO) ein gut etabliertes Material für UV-Photodetektion aufgrund seines breiten Bandabstands (3,37 eV), hoher Exziton-Bindungsenergie (60 meV) und schneller Schaltzeit bei Bestrahlung mit UV-Licht. Kürzlich wurden ZnO-QDs aufgrund einzigartiger optischer Eigenschaften, großem Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis und einstellbarem optischem Bandabstand in der Optoelektronik weit angewendet. Darüber hinaus treten Quantentunneln in Kombination mit Ladungsfangzuständen auf der Oberfläche der ZnO-QDs auf, da die Ladungsträger in alle drei Richtungen eingeschlossen sind. Daher ist es sehr entscheidend, eine Typ-I-Hybrid-Heterostruktur basierend auf 2D MoS₂ und ZnO-QDs zu präsentieren, um die ausgezeichnete UV-Vis-breitbandige Photoreaktion mit hoher Photoabsorption, Responsivität, Detektivität, EQE, Strom-Ein/Aus-Verhältnis usw. zu realisieren.

Hierin berichten wir über einen Photodetektor basierend auf Monolayer ZnO-QDs/MoS₂ Hybridstruktur, der in einem einfachen Prozess hergestellt wurde. Aufgrund der Typ-I-Heterojunktion, die zwischen Monolayer MoS₂ und ZnO-QDs gebildet wird, zeigt das Gerät schnelle Ansprechgeschwindigkeit, erweiterten breitbandigen Photoreaktionsbereich (tiefes UV-Vis), verbesserte Photoabsorption, Photoreaktion und Detektivität. Es ist auch bemerkenswert, dass die Responsivität unter 405-nm-Licht bei einer Leistungsdichte (PD) von 0,073 mW/cm² bis zu 0,084 A/W erreicht, was mit der von hybrider Photodetektion bei gleicher Wellenlänge vergleichbar ist. Daher kann unsere Studie eine Methode zur Verbesserung der Leistung von Photodetektoren und zur Erweiterung der Bausteine für hochleistungsfähige optoelektronische Geräte bieten.

Methodenabschnitt

Wachstum von dreieckigem Monolayer MoS₂

Molybdän(VI)-oxid (MoO₃, 99,99%) und Schwefel (S, 99,5%) wurden verwendet, um hochkristalline dreieckige MoS₂ Flakes auf Saphiren durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) herzustellen. Als Substrate wurden Saphire in Aceton, Alkohol und deionisiertem Wasser mit Sonikation für jeweils 10 min gereinigt. Dann wurden sie fest ausgerichtet und über einem Aluminiumboot platziert, das 3 mg MoO₃ Pulver enthielt, und das Boot wurde in das Quarzrohr gelegt und in den Hochtemperaturbereich des Ofens positioniert. Anschließend wurde ein weiteres Boot mit 120 mg Schwefel (S) Pulver in das Quarzrohr gelegt und in den Niedrigtemperaturbereich des Ofens positioniert. Vor dem Wachstum wurde das Rohr durch Vakuumpumpe evakuiert und mehrmals mit reinem Argon (Ar) Gas (99,999%) gespült, um Sauerstoff und Wasser im Rohr zu entfernen. Als Nächstes stieg die Temperatur des MoO₃ Pulvers auf 400 °C und wurde 10 min bei dieser Temperatur gehalten, dann auf 780 °C erhöht. Als 650 °C erreicht wurde, stieg die Temperatur des S Pulvers innerhalb von 5 min auf 150 °C. Dann blieben Hoch- und Niedrigtemperaturbereiche für 5 und 15 min bei den Endtemperaturen, und das Rohr wurde mit Argongas mit einer Flussrate von 10 sccm gespült. Nach Abkühlung des Ofens auf Raumtemperatur erhielten wir die auf den Substraten gewachsenen Proben.

Synthese von ZnO Quantenpunkten

ZnO Quantenpunkte wurden bei Raumtemperatur durch Sol-Gel-Methode synthetisiert. Insgesamt 0,878 g Zinkacetat-Dihydrat (Zn(Ac)₂·2H₂O) wurden in 80 ml Triethylenglykol (TEG) in einer Kolbenflasche hinzugefügt und kräftig gerührt; 0,252 g Lithiumhydroxid-Monohydrat (LiOH·H₂O) wurde dann allmählich in die Lösung gegeben. Nach über 5 h Rühren wurde die Lösung klar und grüne Fluoreszenz konnte unter UV-Anregung beobachtet werden. Wenn die Lösung 24 h gerührt wurde, zeigte sie viel stärkere Fluoreszenz. Als Nächstes wurde die Flasche versiegelt und 30 min in Eiswasser soniziert. Dann wurde Ethylacetat in die Flasche gegeben, bis Niederschläge erschienen. Letztendlich wurden ZnO Quantenpunkt-Pulverproben durch Zentrifugation der Niederschläge gesammelt, dreimal mit Aceton gewaschen, um unreagierte Vorläufer zu entfernen, 6 h bei 70 °C erhitzt und 1 h in Ethanol dispergiert.

ZnO-QDs/Monolayer MoS₂ Gerätefertigung

Konventionelle Photolithographie wurde verwendet, um Au/Ti Elektroden direkt auf dem Monolayer MoS₂, der auf den Saphir-Substraten gewachsen war, herzustellen, um die Geräte zu konstruieren. Positiver Photolack wurde bei 4000 rpm für 1 min auf Saphir aufgesponnen und 1 min bei 90 °C gebacken. Dann wurden Elektrodenmuster auf dem Monolayer MoS₂ durch Photolithographie-System erstellt. Als Nächstes wurden Ti-Film (5 nm) und Au-Film (50 nm) nacheinander durch thermische Verdampfung auf dem Substrat abgeschieden und anschließend in Aceton abgehoben, um Ti- und Au-Film, der am Photolack haftete, zu entfernen, sodass Elektroden gebildet wurden. Danach wurden die Geräte 2 h bei 200 °C mit einem Ar-Fluss (100 sccm) geglüht, um Rückstände zu entfernen und einen besseren Kontakt zwischen MoS₂ und Elektroden zu bilden. Letztendlich wurden die ZnO-QDs in Ethanol-Lösung (2 mg/ml) dispergiert und ein einzelner Tropfen wurde auf das MoS₂ Gerät bei 1000 rpm für 60 s aufgesponnen und 10 min bei 70 °C gebacken; dieser Prozess wurde 3-mal wiederholt, um sicherzustellen, dass die MoS₂ Oberfläche von genügend ZnO-QDs bedeckt war.

Charakterisierung

Optische Bilder wurden mit einem Motic BA310Met aufgenommen, um die Morphologie der gewachsenen MoS₂ zu verifizieren. Atomare Kraftmikroskopie (AFM) Höhendaten wurden mit einem Bruker Dimension FastScan aufgezeichnet. Raman-Mapping, Raman-Spektren und Photolumineszenz (PL) wurden auf einem Raman-System (InVia-Reflex) mit einem 532-nm Anregungslaser unter Umgebungsbedingungen aufgezeichnet. Röntgenbeugung (XRD) für die Kristallstruktur von ZnO-Pulverproben wurde mit einer Geschwindigkeit von 8° min⁻¹ mit einem D8 Advance In-situ Röntgenpulverdiffraktometer gemessen. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) wurden mit einem FEI Tecnai G2 F30 Instrument (200 kV) untersucht. Die Probenlösungen (2 mg/ml) wurden auf kohlenstoffbeschichtete Kupfergitter getropft und in einen Vakuumtrockenschrank bei 70 °C über Nacht getrocknet. UV-Vis diffuse Reflexions- und Absorptionsspektren wurden mit einem Spektrophotometer (Lambda950, PerkinElmer) erhalten.

Photoelektrische Leistungs-Charakterisierung

Unser Gerät wurde in einer abgeschirmten Box getestet, um elektromagnetische Störungen zu verhindern. DUV bis sichtbares Licht wurden durch Laser (VIASHO) erzeugt. Ein Lichtfleck mit 0,7 cm Durchmesser wurde senkrecht auf das Gerät bestrahlt, um sicherzustellen, dass das Gerät vollständig bestrahlt wurde. Die Lichtleistungsintensität wurde mit einem Leistungsenergiemesser (Thorlabs PM100D) mit einem Silizium-Leistungskopf (Thorlabs S120VC) gemessen. Alle photoelektrischen Messungen wurden mit einem Quellmessgerät (Keithley 2636B) durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Morphologie und Struktur des ZnO-QDs/Monolayer MoS₂ Photodetektors

Das Aufspinnen von ZnO-QDs-Lösung wurde verwendet, um das ZnO-QDs/MoS₂ Gerät herzustellen, wie in Abb. 1a gezeigt. Abbildung 1b zeigt das optische Bild von Monolayer MoS₂ Flakes mit durchschnittlicher Seitenlänge von 25 μm. Das AFM-Bild in Abb. 1c zeigt, dass die Dicke der MoS₂ Flakes ~ 0,8 nm beträgt, was anzeigt, dass diese dreieckigen MoS₂ Flakes Monolayer sind. Zusätzlich entsprechen zwei Raman-aktive Moden bei 384,24 cm⁻¹ und 403,18 cm⁻¹, die in den Raman-Spektren in Abb. 1d gezeigt werden, der in-plane E¹_2g und out-of-plane A_1g. Der Unterschied der beiden Peaks beträgt 18,94 cm⁻¹. Im PL-Spektrum in Abb. 1e befindet sich ein Peak bei 1,84 eV. Beide Ergebnisse sind charakteristische Merkmale von Monolayer MoS₂. Das entsprechende Raman-Mapping in Abb. 1f zeigt, dass der MoS₂ Flake eine homogene Dicke hat.

ZnO-QDs können Licht durch spontanen Emissionseffekt emittieren, was in unserem Experiment beobachtet wurde, wie in Abb. 2a gezeigt. Abbildung 2b demonstriert die XRD-Muster von pulverisierten ZnO-QDs, die gemäß JCPDS Karte Nr. 36-1451 übereinstimmen und keine anderen Peaks beobachtet werden, was nicht nur die Existenz von ZnO verifiziert, sondern auch bedeutet, dass Vorläufer vollständig durch Aceton entfernt wurden. XRD-Muster von QD-Materialien neigen dazu, breitere Halbwertsbreiten (FWHM) im Vergleich zu Bulk- oder Pulvermaterialien zu haben, was auch in unseren hergestellten ZnO-Pulvern beobachtet wird. Um die durchschnittliche Größe und Verteilung der in Ethanol dispergierten ZnO-QDs zu gewährleisten, werden TEM und HRTEM verwendet; entsprechende Bilder der ZnO-QDs sind in Abb. 2c und d gezeigt. Die durchschnittliche Größe der ZnO-QDs beträgt 4,3 ± 1,87 nm; dieses Ergebnis wurde durch statistische TEM-Analyse von über 100 ZnO-QDs erhalten. Aus dem HRTEM-Bild in Abb. 2d finden wir, dass ZnO-QDs eine hohe Kristallqualität mit einem Gitterabstand von 0,28 nm haben, der der (100) Ebene von kristallinem ZnO entspricht.

Optoelektronische Leistung der ZnO-QDs/Monolayer MoS₂ Photodetektoren

Strom-Spannungs (I-V) Charakteristiken der ZnO-QDs/MoS₂ Geräte im Dunkeln und unter Lichtbestrahlung (532 nm) sind in Abb. 3a gezeigt, und der Inset ist die höhere Vergrößerung der I-V Charakteristiken im negativen Spannungsbereich. Das höchste Ein/Aus-Verhältnis wurde bei einer Spannung von 0,5 V auf etwa 100 gemessen. Der effektive Bereich des Geräts beträgt 185,71 μm² und die Laser-PD variiert von 1,97 bis 24,08 mW/cm². Aufgrund von Schottky-Kontakten zwischen dem Monolayer MoS₂ und den Elektroden sind die I-V Kurven asymmetrisch. Die Vorteile der Schottky-Barriere an den Kontaktbereichen sind, dass die Schottky-Barriere nicht nur photoerzeugte Elektron-Loch-Paare in kürzerer Zeit trennen kann, sondern auch die Elektron-Loch-Rekombinationsrate verringert, was zum Erreichen von hohem Photostrom und schneller Ansprechzeit vorteilhaft ist. Mit zunehmender PD stieg der Photostrom signifikant an, wenn das Gerät mit positiver Spannung angelegt wurde, daher wurden alle weiteren Messungen bei V_ds = 1 V durchgeführt.

Die Responsivität ist einer der entscheidenden Parameter von Photodetektoren, definiert als R_λ = I_ph/PS, wobei P die Licht-PD und S der effektive Bereich des Photosensitivs ist. Wir präsentieren eine 3D Responsivitätskarte des ZnO-QDs/MoS₂ Geräts in Abb. 3b, die den Einfluss verschiedener V_ds und PD auf die Responsivität reflektiert. Um die Leistungsunterschiede zwischen dem reinen Gerät und dem ZnO-QDs dekorierten Gerät herauszufinden, maßen und verglichen wir den Photostrom (I_ph = I_light − I_dark), geplottet mit roten Punkten, und die Responsivität (R_λ), geplottet mit grünen Punkten, unter Bestrahlung von 405-nm Laser mit V_ds = 1 V, wie in Abb. 3c gezeigt. Der Photostrom wird durch I_ph ∼ P^α angepasst, wobei P die Licht-PD ist und α den Index des Potenzgesetzes darstellt. Durch Anpassung der gemessenen Photoströme werden Werte von α = 0,8 für das reine MoS₂ und α = 0,84 für ZnO-QDs/MoS₂ erreicht. Hier impliziert das berechnete α nahe 1, dass weniger photoerregte Ladungsträger durch Rekombination verloren gehen. Das reine Gerät hat einen maximalen Photostrom von 0,168 nA unter Laser-PD von 24,08 mW/cm² und zeigt eine Responsivität von 0,028 A/W unter niedrigerer Laser-PD von 0,073 mW/cm². Mit derselben PD zeigt das ZnO-QDs/MoS₂ Gerät einen höheren Photostrom von 0,667 nA und eine Responsivität von 0,084 A/W. Dieses Ergebnis zeigt, dass der Photostrom von Monolayer MoS₂ Geräten durch Dekoration von ZnO-QDs signifikant verbessert werden kann. Darüber hinaus wurden zwei wichtige Parameter in der Photodetektion, externe Quantenausbeute (EQE) und Detektivität (D*), auch für weiteren Vergleich berechnet. EQE ist das Verhältnis der photoerzeugten Elektronen, die außerhalb des Geräts gesammelt werden, zur Anzahl der einfallenden Photonen, ausgedrückt als EQE = hc R_λ/λe, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum, c die Lichtgeschwindigkeit, λ die Wellenlänge des Anregungslichts und e die Elementarladung ist. Was D* betrifft, kann es die Empfindlichkeit des Photodetektors quantifizieren und ist definiert als D* = R_λS^1/2/(2e I_dark)^1/2, wenn wir annehmen, dass I_dark zum Hauptrauschen beiträgt. Wie in Abb. 3d gezeigt, zeigt das reine Gerät eine maximale EQE (rot) und D* (grün), entsprechend 8,5% und 3,84 × 10¹⁰ Jones, unter Laser-PD von 0,075 mW/cm². Gleichzeitig werden mit derselben PD maximale EQE und D*, entsprechend 25,7% und 1,05 × 10¹¹ Jones, beide etwa 3-mal höher als die des reinen, durch das ZnO-QDs/MoS₂ Gerät erhalten. Die von unserem Hybrid-Gerät erreichte D* ist wettbewerbsfähig mit der vieler anderer berichteter Photodetektoren basierend auf geschichteten Materialien, wie Graphen-Quantenpunkt/WSe₂/Si Heterojunktion (4,51 × 10⁹ Jones) und Graphen/Graphen-QDs/Graphen Struktur (~ 10¹¹ Jones). Dies liegt daran, dass der in dem Gerät erhaltene I_dark auf einen extrem kleinen Wert unter 0,1 nA bei 1 V Bias reduziert wird; er ist vergleichbar mit dem I_dark des Graphen-Silizium-Heterojunktion-Photodetektors (0,1 nA bei Null-Bias).

Photostrom des reinen Geräts und ZnO-QDs dekorierten Geräts unter Bestrahlung von Laser mit verschiedenen Wellenlängen sind in Abb. 4a gegeben. Es gibt eine klare Verbesserung des Photostroms, egal ob bei 405 nm, 532 nm oder 635 nm, was impliziert, dass ZnO Quantenpunkte mit breitem Bandabstand in der Lage sind, die Leistung der sichtbaren Lichtdetektion zu verbessern. Wir untersuchten weiter den breitbandigen Spektralgang des Hybrid-Geräts, 254-nm Licht mit PD von 0,26 mW/cm² und 375-nm Licht mit PD von 0,51 mW/cm² wurden angewendet, um das Hybrid-Gerät zu bestrahlen, und ausgezeichnete Photoreaktions-Eigenschaften wurden beobachtet, wie in Abb. 4b gezeigt. Außerdem zeigt das Hybrid-Gerät keine Reaktion, wenn es mit Licht mit Wellenlänge über 800 nm bestrahlt wird. Obwohl die Leistung der UV-Lichtbestrahlung niedrig ist, ist der Photostrom immer noch viel höher oder zumindest vergleichbar mit denen, die unter sichtbarer Lichtbestrahlung mit viel höherer PD erhalten wurden. Wir glauben, dass es der breite Bandabstand der ZnO-QDs ist, der es dem Hybrid-Gerät ermöglicht, mehr Photonen zu absorbieren, wenn UV-Licht darauf fällt; somit werden viele Ladungsträger erzeugt und zu MoS₂ transferiert, um den Photostrom stark zu vergrößern. Darüber hinaus blieb nach 6-maligem Ein-/Ausschalten über 250 s der Photostrom und Dunkelstrom auf ihrem Niveau, was die ausgezeichnete Photostabilität dieses Hybrid-Geräts demonstrierte.

Ein Photodetektor mit schneller Ansprechgeschwindigkeit ist für einige Bereiche geeignet, wie optische Kommunikation und Video-Imaging. Als ein weiterer wichtiger Parameter von Photodetektoren wurde die Ansprechzeit auch unter einfallendem 635-nm Licht mit PD von 35 mW/cm² untersucht. In dieser Arbeit definierten wir die Anstiegszeit und die Abklingzeit des Photodetektors als die Zeit, die das Gerät benötigt, um 90% des Gleichgewichtswerts vom Anfangsstrom zu erreichen, und umgekehrt. Für das reine Gerät betrug die Anstiegszeit 9,5 s und die Abklingzeit 17,4 s, eine so langsame Ansprechgeschwindigkeit hauptsächlich aufgrund von Fallenzuständen im Bandabstand, die durch Defekte in den Materialien eingeführt wurden. Nach der Dekoration des MoS₂ Photodetektors mit ZnO-QDs, wie in Abb. 4c und d gezeigt, verringerten sich Anstiegs- und Abklingzeit auf 1,5 s und 1,1 s, die Ansprechzeit wurde um 84,2% und 93,7% reduziert. Dieses Ergebnis demonstriert, dass ZnO-QDs die Ansprechzeit von MoS₂ Photodetektoren stark verkürzen und diesen Hybrid-Photodetektor zu einem geeigneten Kandidaten für praktische Anwendungen machen. Um die Langzeitstabilität des Hybrid-Photodetektors zu bewerten, maßen wir den Photostrom des Geräts über 1 Monat (Intervall von 3 Tagen), wie in Abb. 4e gezeigt; Photostrom/Dunkelstrom-Verhältnis (PDCR = I_ph/I_dark) wurde angewendet. Nach 1 Monat Exposition an der Luft zeigt der PDCR des Geräts keine offensichtliche Degradation; eingefügte Bilder zeigen, dass der Strom, der an Tag 1 und Tag 31 gemessen wurde, fast auf demselben Niveau bleibt; klar hat dieser Hybrid-Photodetektor gute Stabilität für langfristige Photodetektion.

Photoreaktions-Mechanismus

Hier untersuchten wir den Mechanismus zur Verbesserung der Photodetektionsleistung des ZnO-QDs/MoS₂ Photodetektors. Zunächst überprüften wir die Absorption der Hybridstruktur mittels numerischer Simulationen. Mit der Finite-Elemente-Methode bauten wir ein Berechnungsmodell, das aus einem Luftbereich oben und einem Saphir-Substrat unten besteht. Die Ober- und Unterseite des Modells wurden durch zwei perfekt angepasste Schichten abgeschnitten, um störende Reflexionen zu vermeiden. Der Brechungsindex des Saphir-Substrats wurde als konstante 1,75 gesetzt. Zunächst legten wir jeweils eine 0,8-nm-dicke MoS₂ Schicht und eine 4,5-nm-dicke ZnO-Schicht auf das Saphir-Substrat, um die unabhängigen Absorptionen zu überprüfen. Der Brechungsindex von MoS₂ Monolayer wurde aus Referenz [36] entnommen, und der für ZnO aus Referenz [37]. Dann legten wir eine Hybridschicht (ZnO über MoS₂) auf dasselbe Saphir-Substrat, um die Gesamtabsorption zu untersuchen. Wie in Abb. 5a gezeigt, präsentiert die Hybridschicht eine verbesserte Absorption im Wellenlängenbereich unter 400 nm im Vergleich zum nackten MoS₂ Monolayer, was eine bessere UV-Absorption nach der ZnO-QDs Dekoration enthüllt. Dann überprüften wir experimentell UV-Vis Absorptionsspektren von MoS₂, ZnO-QDs und ZnO-QDs/MoS₂, und das Ergebnis stimmt mit dem berechneten überein. Wie in Abb. 5b gezeigt, zeigt Monolayer MoS₂ einen breitbandigen Absorptionsbereich von UV bis sichtbarer Wellenlänge und keine Absorptionspeaks werden gefunden, wenn die Wellenlänge auf NIR zunimmt. Was ZnO-QDs betrifft, befinden sich die Absorptionspeaks bei UV-Wellenlänge und es existiert eine größere Absorptionsrate im Vergleich zu MoS₂. Nach Dekoration der ZnO-QDs fanden wir, dass ZnO-QDs/MoS₂ eine stärkere Absorptionsfähigkeit als reines MoS₂ aufweist, was anzeigt, dass die Heterostruktur intensivere Licht-Materie-Wechselwirkung hat. Die entsprechenden Tauc-Plots sind in Abb. 5c gezeigt, und der Bandabstand von MoS₂ und ZnO-QDs kann auf ~ 1,77 eV und ~ 3,42 eV berechnet werden, was nahe an den Werten in früheren Berichten liegt.

Basierend auf früheren Berichten sind MoS₂ und ZnO-QDs beide n-Typ-Halbleiter mit der Austrittsarbeit von 4,7 eV und 5,3 eV, jeweils. Die Elektronenaffinität von MoS₂ beträgt ungefähr 4,3 eV, was etwas größer ist als die von ZnO-QDs (4,2 eV). Der Bandabstand von MoS₂ und ZnO-QDs wird gemäß Tauc-Plot-Berechnungen als 1,8 eV und 3,4 eV betrachtet. Die Energiebandstruktur von MoS₂ und ZnO (vor und nach Kontakt), gezeigt in Abb. 6a und b, wird konstruiert und verwendet, um den Mechanismus zur Verbesserung der Photodetektionsleistung zu untersuchen.

Die MoS₂/ZnO-QDs Heterojunktion wird durch Van-der-Waals-Kräfte gebildet und die Typ-I-Bandausrichtung an der Grenzfläche kann verwendet werden, um die verbesserte Responsivität zu erklären. Wenn diese Heterostrukturen unter UV-Licht bestrahlt werden, absorbieren sowohl ZnO-QDs als auch MoS₂ stark Lichtphotonen und Elektronen bewegen sich vom Valenz- in das Leitungsband, sodass Prozess "I" auftritt. Danach werden Elektronen vom ZnO-QDs Leitungsband in das MoS₂ Leitungsband injiziert, um Prozess "V" durch thermische Agitation zu bilden, während ein Teil der Elektronen im ZnO-QDs Leitungsband in das Leitungsband in MoS₂ tunnelt, was zu Prozess "III" führt. Und dann bewegen sich Löcher im ZnO-QDs Valenzband in das entsprechende Valenzband in MoS₂, wie in Prozess "IV" gezeigt. Auch kann spontane Emission einige der Elektronen im Leitungsband der ZnO-QDs bewegen und zurück in das Valenzband, um Photonen zu emittieren, die Elektronen im Valenzband von MoS₂ in das Leitungsband anregen können, um Prozess "II" zu bilden. Andererseits passierten ähnliche Prozesse, als die Hybrid-Geräte durch sichtbares Licht bestrahlt wurden, außer dass die angeregten Elektronen vom Defektenergieniveau der ZnO-QDs stammten, was die angeregte Energie niedriger machen würde. Als Ergebnis transferieren sich diese angeregten Elektron-Loch-Paare von ZnO-QDs zu MoS₂ und führen zu signifikannter Verbesserung des Photostroms im Vergleich zum reinen Gerät. Zusätzlich wird die große Anzahl angeregter Träger in MoS₂ die Rekombinationsrate stark erhöhen und die Ansprech- und Abklingzeit verringern, was in Abb. 4c und d beobachtet wurde.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend berichten wir über einen Photodetektor basierend auf Monolayer MoS₂/ZnO-QDs Hybridstruktur. Im Vergleich zum Monolayer MoS₂ führt die ZnO-QDs Dekoration nicht nur zu einer enormen Verbesserung der Photoreaktion im sichtbaren Spektrum, sondern auch zur Erweiterung in den tiefen ultravioletten (DUV) Bereich. Unter Anregung von sichtbarem Licht zeigt dieses Hybrid-Gerät schnellere Ansprechgeschwindigkeit (1,5 s und 1,1 s), höhere Responsivität über 0,084 A/W und größere Detektivität von 1,05 × 10¹¹ Jones. Dies wird auf die große Anzahl der Injektion von Trägern von ZnO-QDs zu MoS₂ zurückgeführt. Zusätzlich zeigt das Hybrid-Gerät ausgezeichnete Stabilität unter Exposition der Atmosphäre bei Raumtemperatur. Daher kann unsere Studie eine Methode zur Verbesserung der Leistung von Photodetektoren und zur Erweiterung der Bausteine für hochleistungsfähige optoelektronische Geräte bieten.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Im Manuskript stammen alle Daten, die ihre Ergebnisse unterstützen, aus der Fertigungsexperimentierung, Charakterisierung und Messung. Alle Autoren möchten ihre Daten teilen. Die Daten können geteilt werden.

Abkürzungen

PL:

Photolumineszenz

AFM:

Atomare Kraftmikroskopie

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektren

CVD:

Chemische Gasphasenabscheidung

R_λ:

Responsivität

I_ds:

Source-Drain-Strom

I_ph:

Photostrom

EQE:

Externe Quantenausbeute

D*:

Detektivität

VB:

Valenzband

CB:

Leitungsband