Konversi Fotokonduktivitas Positif dan Negatif yang Diinduksi oleh Adsorpsi Molekul H2O dalam Kawat Nano WO3

Hasil dan Diskusi

Gambar 1 menunjukkan waktu saat ini (I-T ) kurva dari Au/h-WO₃ Perangkat NW/Au direkam dengan laser (445 nm, 500 mW) hidup dan mati di bawah tingkat RH yang berbeda. Ketika RH adalah 40% (Gbr. 1a), arus naik sedikit di bawah penerangan, yang merupakan PPC normal karena transisi antar-band [22, 23]. Saat RH meningkat menjadi 50% (Gbr. 1b), arus naik sedikit saat laser dinyalakan. Dan kemudian, setelah sekitar 10 detik, arus foto turun secara signifikan, yaitu efek NPC yang menarik. Dengan meningkatkan RH secara bertahap, perangkat menunjukkan NPC yang lebih baik dan stabil seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1c, d. Efek NPC telah dilaporkan di beberapa nanomaterial [24,25,26], tetapi tidak pernah diamati di WO₃ . Sebelumnya, efek NPC dari WO₃ kawat nano mungkin dikaitkan dengan H₂ . yang teradsorpsi O molekul di permukaan. Bagaimanapun, H₂ Adsorpsi molekul O dan fotodesorpsi telah terbukti memainkan peran penting dalam menentukan sifat fotolistrik dan menyebabkan efek NPC pada material skala nano [27,28,29]. Ini berarti bahwa konduktansi bahan skala nano ini tergantung secara sensitif pada jumlah H₂ yang teradsorpsi. O molekul. Namun, tidak seperti arus foto, arus gelap yang direkam di bawah level RH yang berbeda hampir sama (80 nA) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, yang membuktikan bahwa perubahan arus foto di bawah level RH yang berbeda tidak dapat begitu saja dikaitkan dengan foto- desorpsi yang diinduksi H₂ O molekul. Oleh karena itu, ada mekanisme fisik baru yang menjawab efek NPC dari h-WO₃ NW. Selain itu, arus gelap pada Gambar 1d sedikit lebih besar dari 80 nA. Ketika RH sangat tinggi, lebih banyak H₂ Molekul O teradsorpsi pada WO₃ NW dan dapat membentuk H₂ O film di permukaan WO₃ . Dan lapisan molekul air ini dapat meningkatkan konduktansi perangkat berdasarkan mekanisme Grotthuss [30]. Oleh karena itu, arus gelap pada Gambar 1d sedikit meningkat.

Tipikal I-T kurva (V _ds = 3 V) dari Au/h-WO₃ Perangkat NW/Au direkam berulang kali dengan laser (445 nm, 500 mW) hidup dan mati di bawah 40% RH (a ), 50% RH (b ), 60% RH (c ), dan 70% RH (d ). Sisipan bawah a :Gambar SEM dari Au/h-WO₃ Perangkat NW/Au, kawat nano antara dua elektroda dengan diameter sekitar 300 nm, dan panjang sekitar 4 μm

Untuk menjelaskan asal usul NPC, mekanisme konduktif yang terlibat perlu ditentukan terlebih dahulu. Seperti yang ditunjukkan pada inset Gambar. 2a, tegangan arus tipikal (I-V ) kurva direkam dengan pemindaian tegangan bias dan laser hidup dan mati di bawah 70% RH, yang menunjukkan efek NPC serta switching resistif. Untuk tujuan membuat kontras yang jelas, I-V kurva diubah menjadi I-T kurva seperti yang ditampilkan pada Gambar. 2a dan diplot ulang berdasarkan hukum Schottky (lnI V ^1/2 ) [31]. Untuk arus foto dan arus gelap, lnI linier dengan V ^1/2 di bawah tegangan bias tinggi. Mekanisme konduksi untuk kedua kasus tersebut adalah emisi Schottky dan tinggi penghalang yang dapat diperoleh dari intersep plot Schottky. Penghalang Schottky di bawah penerangan cahaya jauh lebih tinggi daripada di lingkungan gelap seperti yang ditunjukkan oleh penyadapan hijau pada Gambar. 2b. Oleh karena itu, efek NPC dari h-WO₃ NW mungkin dikaitkan dengan peningkatan ketinggian penghalang Schottky yang disebabkan oleh penerangan cahaya ungu. Seperti yang dilaporkan sebelumnya [15], sifat switching resistif dari perangkat semacam ini dapat ditingkatkan secara luar biasa dengan teradsorpsi H₂ O molekul. Dalam situasi itu, lubang yang disuntikkan dari elektroda bermuatan positif mengoksidasi H₂ . yang teradsorpsi Molekul O yang menghasilkan H ⁺ ion dan O₂ , sedangkan elektron yang disuntikkan dari elektroda bermuatan negatif di bawah tegangan bias kecil tidak memiliki energi yang cukup untuk mereduksi H ⁺ ion karena struktur pita elektronik khas WO₃ . H ⁺ ion yang dihasilkan oleh H₂ Oksidasi O akan terakumulasi secara bertahap di permukaan di bawah pemindaian bias terus menerus, yang akan menghabiskan semua elektron bergerak di WO₃ kawat nano. Oleh karena itu, di bawah penerangan dengan cahaya ungu (445 nm), lubang fotoeksitasi juga dapat mengoksidasi H₂ yang teradsorpsi. Molekul O untuk menghasilkan H ⁺ ion. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa H ⁺ ion diproduksi dan terakumulasi lebih cepat, yang mencegah H ⁺ ion memasuki kisi WO₃ NW lebih mudah untuk mengubahnya menjadi keadaan logam. Mereka akan menangkap elektron bergerak untuk membentuk lapisan ganda listrik dan kemudian mengurangi konsentrasi pembawa seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, yang akan menghasilkan peningkatan yang signifikan pada ketinggian penghalang antarmuka dan kemudian penurunan yang signifikan dalam konduktansi Au /h-WO₃ Perangkat NW/Au. Jika tingkat RH rendah (kurang dari 50%), ada kurang dari dua H₂ O lapisan molekul di permukaan, dan jumlah H ⁺ ion yang dihasilkan oleh oksidasi air relatif kecil. Selanjutnya, H ⁺ ion tidak dapat bergerak bebas di lapisan terputus H₂ Molekul O menumpuk di dekat elektroda bermuatan negatif. Oleh karena itu, kemampuan melokalisasi elektron bergerak menjadi lemah atau bahkan dapat diabaikan, dan kemudian perangkat menunjukkan efek PPC (Gbr. 1a).

a I-T kurva direkam pada rentang sapuan bias 12 V dalam gelap dan di bawah penerangan (445 nm, 500 mW) pada 70% RH. b Plot ln(I) versus V ^1/2 . c Diagram mekanisme NPC dari WO₃ NW. Sisipan a :I-V kurva pada rentang sapuan bias 12 V

Untuk menyelidiki lebih lanjut asal usul efek NPC dan mengkonfirmasi kewajaran mekanisme di atas, I-T yang bergantung pada kekuatan pengukuran dilakukan secara sistematis seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Ketika kekuatan laser diatur pada 200 mW, perangkat menunjukkan efek PPC yang stabil di bawah penerangan (Gbr. 3a). Saat daya meningkat hingga 300 mW, beberapa jejak NPC dapat diamati dengan jelas (sisi kanan Gambar 3a). Dengan semakin meningkatnya daya laser dari 300 menjadi 400 mW dan 500 mW, arus naik dengan cepat pada detik pertama di bawah penerangan yang menunjukkan efek PPC, dan kemudian turun secara tiba-tiba yang menunjukkan efek NPC (Gbr. 3b, c). Setelah mematikan sumber cahaya, arus tidak berubah secara signifikan sampai meningkat ke nilai awal dengan cepat setelah lebih dari 20 detik. Jelas bahwa arus meningkat lebih signifikan dan turun lebih cepat dengan meningkatnya intensitas cahaya, yang mungkin dikaitkan dengan laju produksi ion hidrogen dan agregasi yang sebanding dengan intensitas cahaya. Ketika intensitas cahaya lemah (kurang dari 200 mW), efisiensi transisi antar-band sangat rendah, dan kemudian H ⁺ yang dihasilkan ion diabaikan atau direduksi oleh elektron panas. Ketika intensitas cahaya kuat, konsentrasi pembawa (elektron dan lubang) meningkat secara tiba-tiba pada penerangan, dan kemudian terjadi pembentukan dan agregasi ion hidrogen. Konversi dari PPC ke NPC dapat dijelaskan dengan baik melalui proses H ⁺ akumulasi ion di permukaan. Ketika daya laser semakin meningkat hingga 600 mW (Gbr. 3d), arus foto berfluktuasi secara drastis, yang mungkin dikaitkan dengan persaingan antara produksi dan pengurangan H ⁺ ion. Efisiensi transisi antar-pita sangat tinggi sehingga H₂ . yang teradsorpsi Molekul O dikonsumsi dengan cepat dan tidak dapat dipasok tepat waktu. Lagi pula, butuh waktu tertentu untuk H₂ O molekul di atmosfer untuk bersantai ke h-WO₃ permukaan barat laut. Dari analisis di atas, kami menyimpulkan bahwa produktivitas H ⁺ ion tergantung pada efisiensi transisi antar-pita. Ketika daya laser rendah, efisiensi transisi antar-pita relatif rendah, dan akan membutuhkan lebih banyak waktu untuk menghasilkan H ⁺ yang cukup ion untuk mencapai konversi dari PPC ke efek NPC. Sebaliknya, ketika daya menjadi lebih besar, dibutuhkan waktu yang lebih singkat untuk mencapai konversi semacam ini.

Tipikal I-T kurva (V _ds = 3 V) dari Au/h-WO₃ Perangkat NW/Au direkam berulang kali dengan laser (445 nm, 200 mW (a ), 400 mW (b ), 500 mW (c ), dan 600 mW(d )) hidup dan mati pada 70% RH. Sisipan kanan a :I-T kurva 300 mW. Empat sisipan skema yang menunjukkan efek H ⁺ ion di bawah kekuatan laser yang berbeda

Untuk mempelajari lebih lanjut peraturan H ⁺ ion dan kemudian konversi antara PPC dan efek NPC dari h-WO₃ NWs, tipikal I-T kurva dari Au/h-WO₃ Perangkat NW/Au diukur di bawah tegangan bias yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Pada bagian ini, tingkat RH diatur pada 50%, karena jumlah H₂ yang teradsorpsi Molekul O tidak begitu banyak sehingga efek tegangan bias mungkin lebih jelas. Saat tegangan bias 2 V, NPC di WO₃ nanowire sangat stabil di bawah iluminasi (445 nm, 500 mW) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Namun, dengan meningkatnya tegangan bias, I-T kurva menjadi lebih berfluktuasi seperti yang ditampilkan pada Gambar. 3b, c). Sementara itu, ini juga menunjukkan bahwa dibutuhkan lebih sedikit waktu untuk mencapai konversi dari efek PPC ke NPC di bawah tegangan bias kecil. Selain itu, ketika lampu dimatikan, arus berkurang sedikit pada awalnya karena elektron dan lubang yang terfotoeksitasi secara istimewa bergabung kembali seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, yang mirip dengan kasus di film tipis InN [32] dan kawat nano InAs [33]. Untuk memahami fenomena ini sepenuhnya, struktur pita elektronik Au/h-WO₃ Perangkat NW/Au ditunjukkan pada Gambar. 4d, yang menekuk secara bertahap dengan peningkatan tegangan bias. Padahal H ⁺ tingkat reduksi ion terletak sedikit lebih tinggi dari bagian bawah pita konduksi WO₃ NW, jumlah elektron panas di atas H ⁺ tingkat reduksi ion yang disuntikkan dari elektroda bermuatan negatif berdasarkan emisi Schottky mungkin cukup besar selama biasnya cukup besar. Elektron panas ini hanya ada di dekat elektroda bermuatan negatif karena perilaku transpor non-balistiknya dan akan mengurangi akumulasi H ⁺ ion dengan cepat. Sebagai H ⁺ ion menghilang, ketinggian penghalang Schottky berkurang, dan tegangan jatuh pada penghalang berkurang. Jumlah elektron panas di atas H ⁺ tingkat reduksi ion menurun secara bersamaan, yang akan menyebabkan akumulasi H ⁺ ion lagi. Oleh karena itu, untuk h-WO yang relatif panjang₃ NW, masuk akal untuk mempertimbangkan bahwa H ⁺ ion menumpuk dan direduksi oleh elektron panas sebagai alternatif, yang menghasilkan fluktuasi arus seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4c.

Tipikal I-T kurva perangkat yang direkam pada bias yang berbeda (2 V (a ), 3 V (b ), 4 V (c )) dengan laser (445 nm, 500 mW) hidup dan mati pada 50% RH. d Struktur pita skematik Au/h-WO₃ Perangkat NW/Au di bawah tegangan bias yang berbeda dan transpor non-balistik dari elektron yang disuntikkan