Respons Arus Foto yang Sangat Ditingkatkan dalam Nanosheet Insulator Topologi dengan Konduktansi Tinggi

Hasil dan Diskusi

Gambar 1d-f mengungkapkan hubungan tegangan-arus linier. Hal ini menunjukkan karakteristik logam dan kontak ohmik antara elektroda Pt dan nanosheet. Konduktansi terukur, G , adalah 4 × 10 ⁻⁵ , 0,006, dan 7 × 10 ⁻⁵ (S) untuk nanosheet dengan ketebalan masing-masing 202, 178, dan 58 nm. Konduktivitasnya lebih tinggi dari 1000 (S/m) yang mendukung kualitas kristal yang sangat tinggi dalam nanosheet kami.

Gambar 2a-c menunjukkan arus terukur sebagai fungsi dari intensitas daya cahaya. Gambar 2d-f menunjukkan bahwa arus terukur sebanding dengan intensitas daya cahaya [27, 28]. Hubungannya dapat dinyatakan sebagai I _pada =β P ^α +Aku _nonaktif , di mana saya _pada adalah arus yang diukur dengan cahaya, I _nonaktif adalah arus terukur tanpa cahaya, β adalah konstanta yang terkait dengan respons arus foto, P adalah intensitas daya cahaya, dan α adalah konstanta yang terkait dengan kondisi iluminasi cahaya antara perangkat dan cahaya. Perlu dicatat bahwa I . yang lebih besar _pada diamati dalam nanosheet dengan I . yang lebih besar _nonaktif . Arus foto, Aku _ph , didefinisikan sebagai Saya _pada Aku _nonaktif . Tabel 1 mencantumkan hasil pemasangan. Ini menunjukkan bahwa α 1 untuk semua nanosheet dengan ketebalan berbeda, dan yang mendukung karakteristik optik yang konsisten dalam nanosheet ini. Perlu dicatat bahwa β /G adalah 1,1×10 ⁵ ±0.2×10 ⁵ (A /WS) untuk semua nanosheet. Hal ini menunjukkan bahwa arus foto yang diamati sebanding dengan konduktansi efektif. Temuan ini mendukung bahwa selain dari geometri sistem dan struktur pita material, konduktansi efektif nanosheet juga akan menjadi faktor penting yang mendominasi respons arus foto.

a , b , dan c menunjukkan arus terukur sebagai fungsi dari intensitas daya cahaya dalam tiga sampel dengan ketebalan yang berbeda. d , e , dan f mengungkapkan bahwa arus yang diukur sebanding dengan intensitas daya cahaya. Kami menyadari bahwa semakin besar I _pada diamati dalam nanosheet dengan I . yang lebih besar _nonaktif

Aku _ph berasal dari pasangan elektron-lubang yang diinduksi oleh interaksi antara foton yang disuntikkan dan lembaran nano. Elektron dan lubang yang diinduksi mengalir dalam arah yang berlawanan di bawah bias listrik yang diterapkan. Aku . yang efektif _ph sebanding dengan tegangan yang diberikan dan jumlah pasangan elektron-lubang. Lebih banyak foton yang disuntikkan menyebabkan lebih banyak pasangan lubang elektron. Kedalaman penetrasi cahaya pendek dan lemah tergantung pada intensitas daya cahaya. Dilaporkan bahwa kedalaman penetrasi cahaya kira-kira 20 nm di isolator topologi yang lebih kecil dari ketebalan nanosheet kami [23, 24]. Aku _ph harus independen dari ketebalan nanosheet ketika ketebalan lebih besar dari kedalaman penetrasi cahaya. Luas permukaan nanosheet terdistribusi dalam faktor 3, tetapi I . yang diamati _ph menyebar pada perbedaan dua orde. Terlepas dari pasangan lubang elektron terinduksi yang efektif, perbedaan yang diamati I _ph harus berasal dari sifat intrinsik. Untuk mengecualikan efek geometri ekstrinsik pada I _ph dan secara kuantitatif menentukan kinerja nanosheet ini, responsivitas, R , dihitung menggunakan persamaan berikut:

dimana P dan S adalah intensitas daya cahaya dan area efektif, masing-masing.

Gambar 3 menunjukkan R sebagai fungsi dari intensitas daya cahaya, berbeda dari kebanyakan yang dilaporkan bahwa R menurun secara drastis seiring dengan meningkatnya intensitas daya cahaya pada isolator topologi berbasis Bi dan material berdimensi rendah [25, 26]. Hasil kami menunjukkan bahwa R dan G tidak tergantung pada intensitas daya cahaya dalam ruang hampa. Itu lebih lanjut mendukung bahwa kedalaman penetrasi cahaya harus lebih pendek dari ketebalan nanosheet dalam kondisi eksperimental kami. R . yang lebih besar diamati dalam nanosheet dengan konduktansi yang lebih tinggi. Ini mendukung bahwa respons foto yang lebih tinggi yang diamati berasal dari karakteristik transpor intrinsik dan bukan dari geometri nanosheet atau kondisi eksperimental.

Responsivitas tiga Sb₂ Se₂ nanosheet. Ini mengungkapkan ketergantungan yang lemah dari intensitas daya cahaya pada responsivitas. Responsivitas yang lebih tinggi terlihat pada nanosheet dengan konduktivitas yang lebih tinggi

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, hubungan tegangan-arus linier mendukung bahwa lembaran nano mengungkapkan perilaku logam. Pasangan lubang elektron yang diinduksi cahaya akan melakukan perjalanan ke dua kontak elektroda karena bias tegangan yang diberikan [27-29]. Mengikuti hukum Ohm, arus foto terkait dapat ditentukan melalui hubungan I _ph =V G dimana V adalah bias tegangan yang diterapkan antara dua elektroda. Aku _ph sebanding dengan G .

Gambar 4 mengungkapkan R sebagai fungsi dari G dalam plot log-log. Titik data Sb₂ Se₂ Te adalah hasil terukur dalam pekerjaan ini, dan titik data Sb₂ SeTe₂ diekstraksi dari pekerjaan kami sebelumnya di bawah kondisi pertumbuhan kristal yang sama dan pengaturan pengukuran [27]. Ketebalan Sb₂ SeTe₂ nanosheet sekitar 180 nm. Panjang gelombangnya adalah 532 nm. Keduanya Sb₂ Se₂ Te dan Sb₂ SeTe₂ tunjukkan bahwa R tidak tergantung pada intensitas daya cahaya. Titik data ini mengikuti kecenderungan garis titik pada rentang konduktansi nanosheet yang luas. Ini mendukung R sebanding dengan G , yang sesuai dengan proposal kami.

Responsivitas sebagai fungsi konduktansi nanosheet. Ini menunjukkan responsivitas sebanding dengan konduktansi nanosheet. Sb₂ SeTe₂ data berasal dari nilai yang kami laporkan

Sistem dengan respons arus foto yang lebih tinggi sangat disukai untuk aplikasi potensial. Selain mencari material atau sistem baru dengan struktur pita dan celah pita tertentu, perawatan yang tepat pada sistem juga merupakan metode yang sesuai untuk meningkatkan respons foto. Hasil eksperimen kami mendukung bahwa konduktansi listrik intrinsik akan menjadi faktor penting untuk mengoptimalkan respons arus foto. Hal ini dapat dicapai melalui kondisi pertumbuhan yang sesuai. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, arus foto adalah 2 orde yang ditingkatkan melalui penyesuaian konduktansi. Studi ini dapat memandu peneliti lain untuk menyusun pedoman yang sesuai dalam memilih sistem yang lebih baik untuk studi eksperimental lebih lanjut melalui uji listrik sederhana.

R dan deteksi di V =0,1V mencapai 731 dan 2,6×10 ¹⁰ pada nanosheet dengan konduktivitas yang lebih tinggi. Respons foto ini lebih besar dari semua nilai yang dilaporkan di (Sb, Bi)₂ (Te, Se)₃ isolator topologi dan material berdimensi rendah [27, 28] dan hanya lebih rendah dari beberapa heterostruktur yang dilaporkan. Baru-baru ini, material berdimensi rendah menarik perhatian besar di bidang arus foto. Kami menyadari bahwa konduktivitas yang dilaporkan dalam material berdimensi rendah ini sangat tinggi. Ini konsisten dengan hasil eksperimen kami bahwa konduktivitas akan menjadi faktor penting yang mendominasi respons arus foto.

Gambar 5 menggambarkan R sebagai fungsi dari intensitas daya cahaya dalam ruang hampa dan atmosfer. Yang menjadi perhatian kami adalah R menurun drastis saat intensitas cahaya lebih rendah dari 500 Wm ⁻² di atmosfer. Ini mendukung bahwa penurunan R pada intensitas cahaya rendah di atmosfer mungkin berasal dari pengaruh molekul teradsorpsi pada permukaan Sb₂ kita Se₂ Lembar nano.

Responsivitas dan penguatan fotokonduktif sebagai fungsi dari intensitas daya cahaya pada panjang gelombang 532 nm. Responsivitasnya adalah ketergantungan intensitas daya cahaya yang lemah dalam ruang hampa. Responsivitas menurun saat intensitas daya cahaya berkurang di atmosfer saat intensitas daya cahaya lebih rendah dari 500 W /m ²

Respon foto akan sangat sensitif terhadap kondisi permukaan sampel. Selain pengurangan area respons efektif, cacat permukaan dan oksidasi dapat mengurangi mobilitas dan masa pakai pembawa.

Baru-baru ini, dilaporkan bahwa molekul teradsorpsi pada permukaan Bi₂ Se₃ isolator topologi membengkokkan struktur dan menghasilkan 2DEG tambahan. 2DEG yang diinduksi ini akan meningkatkan mobilitas pembawa yang efektif [30]. Sistem dengan mobilitas pembawa yang lebih tinggi dapat mengurangi waktu transit pembawa dan menghasilkan arus foto yang lebih tinggi. Di sisi lain, mobilitas pembawa yang ditingkatkan harus independen dari intensitas daya cahaya. Dukungan ini yang diamati R penekanan terutama dari daerah bersinar efektif, bukan dari karakteristik transportasi intrinsik. Dengan demikian, diyakini bahwa setetes R di udara pada intensitas daya cahaya rendah harus lebih terkait dengan efek bayangan molekul teradsorpsi daripada efek relaksasi pembawa kompleks intrinsik.

Definisi responsivitas adalah rasio pembawa yang diinduksi dengan foton yang datang, dan juga dapat dinyatakan sebagai \(R=\eta \frac {q}{hf},\) di mana q , hf , dan η adalah muatan pembawa, energi foto, dan efisiensi kuantum, masing-masing. η berhubungan langsung dengan sifat material dan panjang gelombang cahaya. Untuk mengecualikan efek ekstrinsik dan intrinsik lainnya dan mengoptimalkan efek bayangan molekul, R (a i r )/R (v a c ) adalah plot sebagai fungsi dari intensitas daya cahaya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, rasio meningkat seiring dengan meningkatnya intensitas daya dan secara bertahap menjadi jenuh pada intensitas daya tinggi.

Rasio responsivitas di udara dengan di ruang hampa sebagai fungsi dari intensitas daya cahaya. Titik data berjalan dengan baik dengan prediksi teoritis. Sisipan menunjukkan rasio responsivitas di udara dengan yang di ruang hampa berbanding lurus dengan kebalikan dari intensitas daya cahaya

Kami mengusulkan model bahwa nomor foton kejadian adalah Y , m foton berinteraksi dengan materi, dan n foton diblokir oleh molekul teradsorpsi di permukaan. Yaitu, Y =m +n . Z adalah rata-rata nomor pembawa arus foto yang diinduksi oleh satu foton. Dalam intensitas cahaya yang sangat lemah, jumlah foto jauh lebih kecil dari unit molekul total, arus foto efektif harus mengikuti perhitungan statistik, dan hasilnya mendukung bahwa efisiensi kuantum, η , dapat dinyatakan sebagai

Perhitungan statis ini mendukung bahwa arus foto efektif akan sangat terkait dengan intensitas daya cahaya dalam batas intensitas daya cahaya lemah dan waktu relaksasi yang lama; nomor foton mungkin lebih kecil dari "pembuat pembawa foto". Arus foto efektif dapat dinyatakan sebagai

Y berbanding lurus dengan intensitas daya cahaya. R (a i r )/R (v a c ) berbanding terbalik dengan kebalikan dari Y dan sangat bergantung pada Y dalam situasi Y n . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, dengan jelas menunjukkan bahwa titik data yang diukur cocok dengan persamaan teoretis, dan sisipan menunjukkan bahwa titik data berbanding lurus dengan kebalikan dari intensitas daya cahaya. Ini mendukung bahwa penurunan arus foto yang diamati terutama berasal dari efek bayangan molekul teradsorpsi di permukaan. \(\frac {R(air)}{R(vac)}\) kira-kira 0,4 pada intensitas daya tinggi dan itu menunjukkan bahwa permukaan ditutupi dengan molekul teradsorpsi sebesar 40%.

Sisi kiri bawah Gambar 7 menunjukkan arus foto sebagai fungsi waktu. Proses pengisian dapat dijelaskan oleh e ^{−t /k} , di mana k adalah konstanta waktu karakteristik. Hasil eksperimen kami mengungkapkan bahwa arus foto yang diukur berjalan dengan baik dengan garis pas. Sisipan kanan atas menunjukkan konstanta waktu pengisian yang diekstraksi sebagai fungsi ketebalan. Ini menunjukkan bahwa konstanta waktu berkurang dengan bertambahnya ketebalan. Perilaku ini dapat dipahami sebagai keseragaman proses aliran arus [27, 28]. Di sisi lain, konstanta waktu pengisian dan pengosongan tekanan atmosfer yang berbeda ditentukan. Ini menunjukkan bahwa konstanta waktu pengisian kira-kira sama dengan konstanta waktu pengosongan, dan konstanta waktu yang lebih lama diamati pada tekanan atmosfer yang lebih rendah.

Sisipan kiri bawah menunjukkan arus foto sebagai fungsi waktu dalam proses pengisian, dan cocok dengan jalur pemasangan. Sisipan kanan atas menunjukkan konstanta waktu pengisian sebagai fungsi ketebalan. Konstanta waktu pengisian dan pengosongan sebagai fungsi tekanan