Photodetector Terkendali Panjang Gelombang Berdasarkan Nanobelt CdSSe Tunggal

Hasil dan Diskusi

Gambar 2a menunjukkan gambar SEM dari NB CdSSe yang telah disiapkan. Ditemukan bahwa NB CdSSe memiliki morfologi yang baik dan lebar dan panjang yang seragam hingga ratusan mikrometer. Gambar 2b adalah gambar SEM perbesaran tinggi dari sabuk nano CdSSe. Terlihat bahwa nanobelt tipis dan seragam dengan lebar 2,632 μm. Gambar 2c dan sisipannya menampilkan gambar medan terang TEM dan pola difraksi area terpilih (SAD) dari sabuk nano tunggal dengan lebar 2,94 μm dan ketebalan kurang dari 50 nm. Pola SAD menegaskan kualitas kristal tunggal, dan dapat diindeks ke struktur heksagonal dengan parameter kisi a = 4.177 Å dan c = 6.776 Å. Gambar HRTEM yang sesuai ditampilkan pada Gambar 2d, dan jarak kisi antara bidang yang berdekatan adalah 0,34 nm, sesuai dengan bidang kristal (110). Dengan demikian, arah pertumbuhannya adalah sepanjang [110].

Gambar morfologi NB CdSSe. a SEM pada perbesaran rendah. b SEM pada perbesaran tinggi. c SAD, sisipan:TEM-nya. d HRTEM

EDX dan pemetaan sabuk nano CdSSe ditunjukkan pada Gambar. 3. Gambar SEM dari sampel dengan kelipatan rendah ditampilkan pada Gambar 3a. Diamati bahwa seluruh wilayah ditutupi dengan sabuk nano. Gambar 3b adalah total distribusi Cd, S, dan Se. Pemetaan elemen Cd, S, dan Se masing-masing digambarkan pada Gambar 3c–e. Ini mengungkapkan bahwa Cd, S, dan Se terdistribusi secara merata di seluruh nanobelt. Spektrum EDX yang dikumpulkan dari sabuk nano yang sama disajikan pada Gambar. 3f, yang menunjukkan bahwa sabuk nano terdiri dari elemen Cd, S, dan Se.

Gambar SEM dan pemetaan unsur CdSSe NB. a SEM. b–e pemetaan Cd, S, dan Se. f EDX

Pola XRD dan XPS dari CdSSe NB disajikan pada Gambar. 4. Semua puncak difraksi dapat diindeks ke struktur heksagonal CdS_0,76 Se_0,24 dengan parameter kisi a = 4.177 Å dan c = 6.776 Å, yang sesuai dengan kartu standar (JCPDS no. 49-1459). Posisi puncak difraksi (2θ = 24,72°, 26,35°, 28,13°, 36,42°, 43,47°, 47,5°, 50,4°, 51,4°, dan 52,4°) dicocokkan dengan bidang kristal (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112), dan (201), masing-masing. Tidak ada kotoran lain yang terdeteksi. Puncak difraksi yang tajam dan sempit mengungkapkan bahwa nanobelt CdSSe yang diperoleh memiliki kristalinitas yang baik. Gambar 4b menunjukkan energi ikat Cd3d_5/2 dan Cd3d_3/2 untuk NB CdSSe pada 404,8 dan 411,7 eV, masing-masing, yang mendekati nilai yang dilaporkan dalam pekerjaan sebelumnya [26]. Jarak pemisahan antara dua puncak adalah 6,9 eV, menunjukkan bahwa atom Cd berada dalam fase CdS lengkap [27]. Dekonvolusi puncak S(2p) menunjukkan dua puncak Gaussian, berpusat pada 160,7 dan 165,1 eV pada Gambar 4c. Spektrum elektron valensi Se(3d) digambarkan pada Gambar 4d, di mana hanya satu puncak yang terletak pada 53,5 eV yang diamati. Oleh karena itu, hasil XPS mengkonfirmasi bahwa nanobelt terdiri dari elemen Cd, S, dan Se.

Pola XRD dan spektrum XPS dari NB CdSSe. a XRD. b Spektrum XPS dari superposisi Cd(3d). c Spektrum XPS resolusi tinggi untuk S(2p). d Spektrum XPS resolusi tinggi untuk Se(3d)

Gambar 5 adalah spektrum fotoluminesensi nanobelt CdSSe; ada dua puncak dalam kisaran 500–1000 nm. Salah satunya berpusat pada 603 nm yang berasal dari emisi near-band-edge (NBE) dari sabuk nano CdSSe. Yang lainnya berpusat pada ~ 950 nm mungkin terkait dengan emisi tingkat dalam, yang diamati di Dalam₂ Se₃ dan Ga₂ Se₃ [28, 29].

Spektrum emisi PL dari CdSSe NBs

Gambar SEM dan CL dari nanobelt CdSSe tunggal dijelaskan pada Gambar. 6a, b. Dijelaskan bahwa permukaan nanobelts datar dan halus dan kecerahannya heterogen sepanjang panjangnya. Gambar 6c, d adalah spektrum CL resolusi spasial dari sabuk nano yang sama pada suhu kamar (295 K) dan suhu rendah (93 K). Ini menyoroti bahwa intensitas CL dari karakteristik NBE pada CdSSe NB berbeda dari titik ke titik, dan rasio noise sinyalnya tidak baik pada 295 K, sedangkan CL kuat dengan intensitas yang berbeda dari titik ke titik pada 93 K. Hasil ini sesuai dengan gambar CL. Selain itu, puncak karakteristik terletak pada 625 nm, tidak ada emisi cacat yang teramati, dan intensitas pada 93 K sekitar 220 kali lipat lebih kuat daripada pada 295 K. Oleh karena itu, NB CdSSe memiliki sifat pendaran yang baik pada suhu rendah.

Gambar SEM dan CL dari NB CdSSe tunggal. a SEM. b CL. c CL di 295 K. h CL di 93 K

Gambar 7a adalah gambar SEM perangkat nano, yang memvisualisasikan bahwa lebar NB CdSSe tidak seragam. Lebar NB yang diukur adalah 30,85 dan 36 m dan panjangnya adalah 9,754 μm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a. Aku –V karakteristik perangkat CdSSe NB ditunjukkan pada Gambar. 7b dalam kondisi gelap dan penerangan cahaya putih dengan rapat daya 43,14 mW/cm ² . Seperti dapat dilihat, arus foto meningkat pesat di bawah penyinaran cahaya putih, karena cahaya datang menghasilkan pasangan lubang elektron, sehingga meningkatkan arus foto. Bentuk linier I –V kurva menunjukkan bahwa kontak ohmik yang baik antara elektroda CdSSe NB dan Ti/Au terbentuk. Arus foto adalah 1,6 × 10 ⁻⁷ A, dan arus gelap sekitar 1,96 × 10 ⁻¹⁰ A. Oleh karena itu, rasio arus foto terhadap arus gelap adalah 816. Gambar 7c adalah I –V kurva yang diperoleh setelah mengambil logaritma dan menemukan bahwa arus foto lebih tinggi tiga kali lipat daripada arus gelapnya.

Gambar SEM dan I –V kurva dari detektor CdSSe NB tunggal. a SEM. b Aku –V kurva dalam kondisi gelap dan penerangan cahaya putih dengan kepadatan daya 43,14 mW/cm ² . c Aku –V grafik yang diperoleh setelah mengambil logaritma

Untuk mengeksplorasi lebih lanjut sifat fotoelektronik perangkat, kami mengukur arus foto dari perangkat CdSSe NB tunggal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8. Pada tegangan bias yang diterapkan 1 V, respons spektral perangkat dalam kisaran 600 hingga 800 nm ditampilkan pada Gambar. 8a. Terlihat bahwa responsnya sangat kuat karena panjang gelombangnya kurang dari 674 nm, dan kemudian menjadi semakin lemah ketika panjang gelombangnya lebih dari 674 nm. Gambar 8b menyajikan pengukuran I –V kurva di bawah iluminasi cahaya 674 nm dengan kepadatan daya yang berbeda. Ditemukan bahwa arus foto meningkat dengan meningkatnya kerapatan daya, menyiratkan bahwa efisiensi pembawa fotogenerasi sebanding dengan jumlah foton yang diserap [30]. Plot logaritmik yang sesuai dengan Gambar 8b disorot pada Gambar 8c. Terungkap bahwa perangkat CdSSe NB memiliki respons terbaik pada kepadatan daya 6,11 mW/cm ² . Gambar 8d adalah hubungan antara arus foto dan kerapatan daya optik. Dengan menyesuaikan nilai arus foto yang bergantung pada kepadatan daya I _p = AP ^θ , di mana Aku _p adalah arus foto, P adalah kepadatan daya optik, A adalah konstanta yang bergantung pada panjang gelombang, eksponen θ menentukan respons arus foto dengan daya [31], hasil eksperimen yang sesuai telah diperoleh dengan θ = 0.69. Laporan tentang eksponen non-kesatuan dengan 0,5 < θ < 1 menunjukkan proses kompleks generasi elektron-lubang, rekombinasi, dan perangkap dalam bahan fotoaktif [32], sedangkan ketergantungan intensitas dengan θ < 0,5 mungkin timbul karena mekanisme cacat, termasuk pusat rekombinasi dan jebakan. Oleh karena itu, θ = 0.69 berarti bahwa nanobelt CdSSe tidak memiliki cacat, yang sesuai dengan HRTEM dan CL.

Sifat fotorespons detektor dari detektor CdSSe NB. a Respon foto spektral diukur pada bias 1 V. b Aku –V kurva pada panjang gelombang eksitasi 674 nm, tegangan bias 1 V, dan rapat daya yang berbeda. c Plot logaritma dari b . d Hubungan antara arus foto dan kerapatan daya optik

Diketahui bahwa responsivitas spektral (R _λ ) dan efisiensi kuantum eksternal (EQE) adalah parameter penting untuk perangkat optik, yang dapat didefinisikan sebagai R _λ = Aku _ph /(P _λ S )dan EQE = hcR _λ /(qλ ), di mana saya _ph adalah perbedaan antara arus foto dan arus gelap, P _λ adalah kerapatan daya cahaya yang disinari pada sabuk nano, S adalah area iluminasi efektif, c adalah kecepatan cahaya, h adalah konstanta Planck, q adalah muatan elektronik, dan λ adalah panjang gelombang yang menarik [33, 34]. Kami menghitung R . yang sesuai _λ dan nilai EQE perangkat CdSSe NB adalah 10,4 A/W dan 19,1%.

Gambar 9a menunjukkan respons waktu detektor CdSSe NB, yang diukur dengan menyalakan dan mematikan lampu 674 nm secara berkala dengan intensitas 4,87 mW/cm ² pada tegangan bias 1 V. Dari situ, kita dapat melihat bahwa perangkat CdSSe NB menunjukkan stabilitas reversibel yang baik pada sifat switching. Gambar 9b adalah tepi kenaikan dan peluruhan tegangan dari resistan yang diukur dengan osiloskop. Ini mencerminkan waktu naik fotokonduktansi dan waktu peluruhan CdSSe NB. Dengan dan tanpa penerangan cahaya 674 nm (4,87 mW/cm ² ), tegangan perubahan resistansi bervariasi. Terlihat bahwa waktu naik/peluruhan masing-masing adalah 1,62/4,70 ms. Kami membandingkan parameter penting dari fotodetektor kami dengan yang lain berdasarkan nanobelt atau nanosheet (NS) tunggal. Ditemukan bahwa R _λ perangkat CdSSe NB dalam karya ini lebih besar dari fotodetektor struktur nano lainnya seperti CdS [34] dan ZnS NB [35], BiO₂ Se [36], GaSe [37], SnS [38], dan Bi₂ S₂ NS [39]. Waktu peluruhan lebih pendek dari ZnS NB [35] dan GaSe NS [37], tetapi lebih lama dari yang lain [34, 36, 38, 39], seperti yang dirangkum dalam Tabel 1, sehingga mengkonfirmasi potensi penerapan CdSSe NB untuk bidang fotodetektif.

Properti saat ini-waktu dari fotodetektor CdSSe NB tunggal pada pencahayaan cahaya 674 nm dengan 4,87 mW/cm ² kepadatan daya di bawah bias 1 V. a Aku –t karakteristik dengan sakelar hidup/mati. b Tegangan naik dan tepi meluruh dari respons pulsa