Pertumbuhan Langsung Struktur ZnO Seperti Bulu dengan Teknik Solusi Mudah untuk Aplikasi Pendeteksi Foto

Hasil dan diskusi

Gambar 1a menunjukkan bahwa ZnO memiliki morfologi seperti bulu, yang baru dan tidak biasa. Panjang memanjang struktur mirip bulu bervariasi antara 300 dan 800 nm, dan panjang lateralnya berbeda dari 200 hingga 400 nm. Gambar SEM yang diperbesar pada Gambar 1b menunjukkan bahwa struktur hierarkis diperoleh. Sementara itu, cabang-cabang struktur 3D seperti bulu secara menarik dirakit tegak lurus dengan batang lembaran nano. Gambar 1c menunjukkan gambar TEM dari struktur hierarki individu. Titik-titik gelap dan pelat tembus pandang sesuai dengan cabang dan batang lembaran nano. Karena ukuran ZnO seperti bulu melebihi 200 nm, pinggiran kisi tidak dapat diungkapkan. Gambar 2 menunjukkan gambar TEM khas segmen nanorod dari bulu ZnO, ini membuktikan nanorod adalah kristal tunggal.

a , b Gambar SEM dari ZnO seperti bulu yang ditumbuhkan pada silikon. c Gambar TEM dari ZnO seperti bulu individu. d Gambar SEM penampang ZnO/p-Si seperti bulu. e Analisis EDS terhadap ZnO/p-Si, menunjukkan bahwa komposisi yang dominan adalah Zn. f Pola XRD dari ZnO/p-Si yang seperti bulu

Gambar TEM dari segmen struktur ZnO hierarki

Gambar 1e menunjukkan puncak EDS di mana hanya Zn, O, C, dan Si yang ditemukan dalam sampel kami, yang menunjukkan bahwa proses SILAR berhasil menyetorkan ZnO murni ke silikon. XRD (Gbr. 1e) mengungkapkan struktur kristal dan kemurnian fasa dari struktur hierarki ZnO. Semua puncak difraksi produk sangat cocok dengan puncak difraksi wurtzite ZnO (file JCPDS 36-1451), serta puncak difraksi dominan yang sesuai dengan p-Si (400). Tidak ada puncak difraksi dari pengotor lain yang ditemukan dalam spektrum; hasilnya menunjukkan bahwa struktur ZnO wurtzite heksagonal murni. Apalagi intensitas puncak (002) agak lebih tinggi dari puncak (100) dan (101); ini menunjukkan bahwa kristal berada di sepanjang sumbu (002) orientasi yang lebih disukai. Puncak difraksi yang tajam menunjukkan bahwa ZnO memiliki struktur kristal kualitas murni yang tinggi.

Harus disebutkan di sini bahwa tidak ada struktur hierarki ZnO yang ditemukan meskipun reaksi dilakukan di bawah lingkungan yang sama saat menggunakan kawat nano Si dengan semua arah kristal menggantikan substrat Si (100) (ditunjukkan pada Gambar 3). Hasilnya menunjukkan bahwa arah kristal memainkan peran kunci dalam nukleasi dan pertumbuhan struktur hierarki ZnO.

Gambar SEM ZnO yang ditumbuhkan pada kawat nano silikon:a morfologi dan b penampang

Berdasarkan hasil di atas, dapat berspekulasi bahwa struktur hierarki ZnO seperti bulu disintesis melalui proses pertumbuhan nukleasi dua tahap. Gambar 4 menunjukkan diagram skema yang menggambarkan proses pembentukan struktur hierarki ZnO. Pertama, amonia hidroksida digunakan untuk menyediakan anion hibroksil (OH ⁻ ) yang meningkatkan pH larutan reaksi dan alkalinitas larutan reaksi, maka Zn(OH)₄ ²⁻ ion diperoleh. Setelah dehidrasi Zn(OH)₄ ²⁻ ion, Zn(OH)₄ ²⁻ ion-ion tersebut diadsorpsi pada substrat Si dan selanjutnya dilarutkan untuk membentuk inti ZnO yang homogen diikuti dengan penangas air pada suhu 90 °C [17]. Selama proses ini, pembentukan batang lembaran nano ZnO dengan {110} permukaan planar pada tahap awal dapat dianggap berasal dari kelebihan OH ⁻ ion dan Zn(OH) yang melimpah₄ ²⁻ ion (ditunjukkan sebagai Gambar. 4a), yang dapat menstabilkan muatan permukaan dan struktur permukaan Zn (001) sampai batas tertentu, memungkinkan pertumbuhan yang cepat sepanjang arah [100] [18]. Kedua, permukaan batang lembaran nano ZnO primer yang terbentuk selama tahap pertumbuhan awal memiliki banyak batas kristal yang mengandung lebih banyak cacat daripada daerah lain. Cacat pada permukaan batang ini menyediakan situs aktif untuk nukleasi heterogen sekunder dan pertumbuhan cabang (ditunjukkan sebagai Gambar. 4b). Akhirnya, pertumbuhan terus menerus dari lembaran nano primer dan cabang nano sekunder membangun struktur hierarki ZnO seperti bulu (ditunjukkan pada Gambar 4c).

Diagram skematis proses pembentukan struktur hierarki ZnO:a pembentukan batang lembaran nano ZnO; b nukleasi heterogen sekunder dan pertumbuhan cabang; c pertumbuhan terus menerus dari lembaran nano primer dan cabang nano sekunder membangun struktur hierarki ZnO seperti bulu

Untuk menyelidiki sifat optik ZnO seperti bulu, PL suhu kamar diperoleh dengan menggunakan laser He–Cd (λ = 325 nm) sebagai sumber eksitasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Dua puncak emisi tampaknya diamati. Pita emisi pertama pada 384 nm jelas disebabkan oleh eksitasi, yang dapat dikaitkan dengan emisi tepi pita dekat UV [18]. Sementara itu, divisualisasikan bahwa emisi yang terlihat lebih lemah muncul oleh pita emisi yang lebar pada 443 nm di wilayah hijau, yang mengungkapkan sifat optik kolektifnya. Rekombinasi iradiatif dari pembawa non-kesetimbangan yang dihasilkan oleh foto yang menempati kekosongan oksigen dapat menimbulkan puncak hijau akan adanya kekosongan oksigen dalam film [19].

a Spektrum PL dari ZnO seperti bulu. b Spektrum pantulan ZnO/Si dan Si planar. c Skema dioda foto ZnO/Si seperti bulu. d Aku -V kurva ZnO/Si seperti bulu; sisipan d adalah lnI-V kurva

Gambar 5b menunjukkan pantulan ZnO/Si dan planar Si seperti bulu yang diukur dengan spektroskopi UV-vis-NIR. Ini menunjukkan bahwa pantulan ZnO/Si seperti bulu jelas berkurang dibandingkan dengan p-Si planar (dari 40 hingga 10%), dan pantulan yang relatif rendah pada kisaran 300 hingga 400 nm yang dihasilkan dari penyerapan pita-ke-pita. Karakteristik anti-refleksi superior dengan rata-rata refleksi kurang dari 10% diamati untuk ZnO/Si pada panjang gelombang lebih pendek dari 400 nm yang merupakan celah pita optik bahan ZnO [20]. Hasil ini menunjukkan bahwa struktur ZnO seperti bulu bertindak sebagai anti-refleksi yang sangat baik. Oleh karena itu, ia memiliki potensi aplikasi sebagai anti-refleksi dalam sel surya.

Gambar 5d menunjukkan I -V kurva heterojungsi ZnO/p-Si seperti bulu, yang diukur masing-masing dalam gelap dan di bawah sinar matahari AM 1,5 pada suhu kamar. Ini menunjukkan perilaku penyearah untuk persimpangan yang menunjukkan pembentukan dioda antara ZnO dan Si. Rasio rektifikasi setinggi 535 pada 1 V (1695 pada 2 V) dalam kondisi gelap. Hal ini menunjukkan bahwa perilaku penyearahan ZnO/Si cukup baik. Secara teoritis, saya -V relasi untuk heterojungsi dapat digambarkan sebagai

dimana K adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu mutlak dalam Kelvin, q adalah muatan satuan dari satu elektron, dan n adalah faktor idealitas. R _s adalah resistansi seri dioda, dan I ₀ adalah arus saturasi bias balik yang diwakili. Perilaku I -V kurva sebagian dapat dijelaskan oleh diagram pita berdasarkan model Anderson [21]. Selain itu, rasio arus foto terhadap arus gelap adalah ~90,24 di bawah bias terbalik pada bias 2 V, yang menunjukkan bahwa struktur ini memiliki perilaku respons foto yang jelas.

Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut bahwa struktur hierarki seperti bulu saat ini menawarkan efek menguntungkan pada karakteristik penyearah, kami juga telah mengukur I -V karakteristik ZnO/Si seperti titik nano (Gbr. 6a). Hasilnya menunjukkan bahwa ZnO/Si hierarki seperti bulu memiliki efek penyearah yang lebih baik daripada ZnO/Si seperti titik nano. Oleh karena itu, ZnO hierarki seperti bulu dapat secara efektif menekan aktivitas rekombinasi muatan dan meningkatkan efek pelurusan.

a Aku -V kurva ZnO/Si seperti bulu dan ZnO/p-Si titik nano; sisipan adalah spektrum refleksi. b Diagram pita energi heterojungsi ZnO/p-Si. c Aku -t kurva struktur planar ZnO/p-Si dan p-Si seperti bulu

Diagram pita energi heterojungsi ZnO/p-Si dibangun pada kesetimbangan yang ditunjukkan pada Gambar 6b. Dalam diagram ini, afinitas elektron untuk ZnO dan Si diambil masing-masing sebagai 4,35 dan 4,05 eV.

Offset pita konduksi adalah E _c = 0,3 eV, sedangkan offset pita valensi adalah ∆E _v = 2,54 eV; dengan demikian, konduksi lubang mendominasi ke depan I -V karakteristik persimpangan. Offset pita valensi sangat besar, terjadi difusi elektron dari n-ZnO ke p-Si dan difusi hole dari p-Si ke n-ZnO karena elektron merupakan pembawa minoritas dan hole merupakan pembawa mayoritas pada p-Si dan elektron adalah pembawa mayoritas dan hole adalah pembawa minoritas dalam n-ZnO. Pada tegangan maju rendah, arus meningkat secara eksponensial. Oleh karena itu, ke depan I -V karakteristik pada Gambar. 4d dapat dijelaskan.

Gambar 6c adalah I -t kurva struktur planar ZnO/p-Si dan p-Si seperti bulu ketika disinari dengan sinar UV 365 nm pada tegangan bias 1-V. Respon saat ini (I _ringan = Saya _UV  Saya _gelap ) pada perangkat ZnO/p-Si adalah 0,10 mA, yang merupakan peningkatan 90% dibandingkan dengan perangkat Si planar yang memiliki arus respons 0,01 mA. Peningkatan arus respons ZnO/p-Si dibandingkan dengan p-Si planar terutama dapat disebabkan oleh adanya heterojuncton ZnO/p-Si, yang dapat dengan cepat memisahkan pembawa yang dihasilkan dan mengurangi laju rekombinasi muatan bebas yang difotogenerasi. operator. Perangkat ZnO/p-Si seperti bulu menunjukkan kenaikan eksponensial tunggal di bawah iluminasi yang dapat dikaitkan dengan rekombinasi pasangan elektron-lubang. Pada Tabel 1, kami meninjau semua parameter dari kedua perangkat. Dibandingkan dengan Si planar telanjang, sensitivitas struktur ZnO/Si seperti bulu telah meningkat hampir 10 kali lipat. Selanjutnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c, waktu naik dan peluruhannya telah sangat meningkat untuk perangkat ZnO/Si seperti bulu yang dapat dikaitkan dengan rekombinasi elektron hole. Hasilnya menunjukkan bahwa struktur ZnO hierarki seperti bulu menunjukkan sensitivitas yang sangat baik terhadap sinar UV. Perilaku siklik ini juga mengungkapkan bahwa kedua perangkat menunjukkan respons foto yang sangat berulang dengan penerangan UV.