Properti Fotolistrik Inframerah Dekat dari Nanofilm Bi2O2Se Multilayer

Hasil dan Diskusi

Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1a, Bi₂ . berlapis O₂ Se menunjukkan struktur tetragonal dengan grup ruang I4/mmm, dan terdiri dari lapisan oksida yang terikat secara kovalen planar (Bi₂ O₂ ) diapit oleh susunan persegi Se dengan interaksi elektrostatik yang relatif lemah [21]. Struktur semacam ini mirip dengan mika. Oleh karena itu, Bi₂ . dua dimensi O₂ Se nanofilm semuanya disintesis pada substrat mika dengan metode deposisi uap kimia (CVD) sejauh ini [7, 14, 15]. Gambar 1b mengilustrasikan tampilan optik area yang luas dari Bi₂ . multilayer yang telah tumbuh O₂ Se nanofilm pada mika. Terlihat jelas bahwa nanofilm memiliki bentuk yang seragam dan hampir berbentuk persegi panjang. Gambar mikroskop gaya atom (AFM) Bi₂ O₂ Se nanofilm dalam percobaan kami ditunjukkan pada Gambar. 1c. Menurut ketebalan teoritis monolayer (≈ 0.61 nm) [14, 15], 30 nm (Gbr. 1d) sama dengan ketebalan sekitar 49 lapisan. Gambar 1e menunjukkan pola XRD Bi₂ O₂ Se nanofilm. Puncak yang dapat dilihat semuanya dikaitkan dengan (00l) bidang difraksi Bi₂ O₂ Se (orientasi kristal sepanjang c -axis), konsisten dengan penelitian sebelumnya [14]. Karakteristik A_1g puncak Bi₂ O₂ Se dapat ditemukan di ≈ 159.1 cm ⁻¹ dalam spektrum Raman (Gbr. 1f), yang dalam konsistensi yang baik dengan laporan sebelumnya [22]. Gambar 1g menunjukkan kurva IV khas Bi₂ O₂ perangkat. Kurva I-V linier yang sangat baik menunjukkan kontak Ohmik terbentuk. Selain itu, 2D Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis Se menunjukkan stabilitas lingkungan yang sangat baik, yang merupakan metrik kunci untuk aplikasi praktis di masa depan [14, 15]. Dari Gambar 1h, panjang dan lebar perangkat yang diukur masing-masing adalah 29 μm dan 91 μm.

Karakterisasi Bi₂ . berlapis O₂ Se nanofilm. a Skema Bi₂ . berlapis O₂ Se struktur kristal. Bola oranye:Bi. Bola merah :O. Bola kuning :Se. b Gambar optik tipikal Bi₂ O₂ Se nanofilm pada mika. c Gambar AFM dari multilayer Bi₂ O₂ Se nanofilm. d Informasi ketinggian yang sesuai. Ketebalannya ~ 30 nm. e pola XRD. f Spektrum Raman dieksitasi menggunakan laser 532 nm. g Karakteristik keluaran dari multilayer Bi₂ O₂ Se perangkat, menunjukkan stabilitas lingkungan yang sangat baik bahkan terkena udara selama 3 bulan. Inset menunjukkan gambar optik perangkat. h Gambar SEM multilayer Bi₂ O₂ Se nanofilm, menunjukkan informasi struktur nano dari bahan ini. Sisipannya adalah gambar SEM yang diperbesar

Seperti yang ditunjukkan Gambar 2a, respons fotolistrik dari Bi₂ . multilayer O₂ Fotodetektor berbasis Se ke NIR sengaja diukur. Di sini, kami terutama membahas kinerja perangkat di pita telekomunikasi (1550 nm), yang diterapkan secara luas di domain militer, komersial, publik, dan akademik. Dapat dilihat dari Gambar 2b bahwa saya_DS jelas tumbuh sebagai intensitas cahaya meningkat. Selain itu, kurva IV perangkat di bawah penerangan tidak menunjukkan tegangan rangkaian terbuka yang jelas dan arus hubung singkat. Fakta ini menunjukkan bahwa penghalang Schottky yang terbentuk antara elektroda dan material tidak memainkan peran penting dalam karakteristik transportasi perangkat. Oleh karena itu, respons fotolistrik material terutama harus berasal dari efek fotokonduktif [10].

Respon fotolistrik pada pita telekomunikasi (panjang gelombang 1550 nm) multilayer Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis Se. a Tampilan skema 3D Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis se di bawah iluminasi. b Kurva IV dari Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis se di bawah intensitas cahaya yang berbeda. c Perilaku respons foto bergantung waktu pada Bi₂ O₂ Se perangkat di bawah pencahayaan cahaya 1550 nm (P =0,26 uW). Inset menunjukkan respons foto ultracepat dari perangkat. d Arus foto dan respons foto Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis se di bawah intensitas cahaya yang berbeda

Untuk mengevaluasi kinerja fotodetektor, fotoresponsivitas (R ), efisiensi kuantum eksternal (η ), dan deteksi (D* ) adalah parameter kritis yang dapat dihitung dengan rumus berikut [10, 17]:

dimana Aku _ph adalah arus foto (perbedaan arus pembuangan antara yang diterangi (I _i ) dan gelap (I _d ) menyatakan), P adalah intensitas cahaya, S adalah area efektif, h adalah konstanta Planck, c adalah kecepatan cahaya, λ adalah panjang gelombang cahaya, dan q muatan elektronik. Di sini, kami berasumsi bahwa arus gelap adalah kontributor utama kebisingan bidikan, sehingga menyimpulkan persamaan (3) [7]. Penyederhanaan ini telah digunakan untuk mengevaluasi respon foto dari material berlapis 2D, seperti graphene [23] dan WSe₂ [24].

Seperti dapat dilihat dari Gambar. 2c, perangkat ini memiliki respons foto yang sangat stabil dan berulang terhadap cahaya 1550 nm setelah beberapa siklus. Waktu responsnya sangat cepat dan masing-masing dapat mencapai kenaikan 30 ms dan peluruhan 60 ms. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa Bi₂ . yang tumbuh sangat tipis O₂ Se nanofilm tidak memiliki status perangkap permukaan dan tingkat energi cacat yang dangkal. Akhirnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d, I _ph meningkat secara monoton dengan peningkatan P, mengikuti hubungan I~P ^α . Di sini, dideduksi menjadi 0,99 untuk Bi₂ O₂ Se dengan menyesuaikan data eksperimen, menunjukkan bahwa arus foto terutama ditentukan oleh jumlah foton yang diserap [7]. Fotoresponsivitas multilayer Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis se sekitar 68 A/W, yang menunjukkan kinerja yang sangat tinggi sebagai fotodetektor.

Selanjutnya, kinerja respons fotolistrik multilayer Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis Se dengan panjang gelombang NIR (850-1550 nm) dipelajari secara sistematis. Menurut perhitungan dengan rumus yang dinyatakan (1)–(3), fotoresponsivitas, efisiensi kuantum eksternal dan deteksi ditunjukkan pada Gambar. 3. Dapat ditemukan bahwa perangkat memiliki fotoresponsivitas yang sangat tinggi terhadap pita NIR, yang mencapai 101A /W (900 nm). Selain itu, multilayer Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis-Se memiliki η . yang sangat tinggi , yang melebihi 20.000% pada 850 nm, menunjukkan kemampuan konversi fotolistrik yang sangat baik. Tingkat deteksinya bisa mencapai 1,9 × 10 ¹⁰ pada 900 nm, menunjukkan rasio signal-to-noise yang sempurna sebagai fotodetektor. Dalam pengukuran kami, arus gelap perangkat selalu dipertahankan pada nilai yang relatif stabil (0,5 μA). Oleh karena itu, tren D* (sebagai fungsi dari panjang gelombang datang) mirip dengan tren R . Jelas, dibandingkan dengan lapisan tipis Bi₂ O₂ Se dilaporkan oleh Ref. [7] dan Ref. [8], multilayer Bi₂ O₂ Se memiliki responsivitas fotolistrik dan efisiensi kuantum eksternal yang lebih tinggi (tegangan bias source-drain, 1 V, yang sama dengan Ref. [7] dan Ref. [8]), dengan tetap mempertahankan waktu respons yang relatif cepat dan tingkat deteksi yang tinggi. Jelas, Ref. [8] hanya melaporkan waktu respons intrinsik (1 ps) material dengan teknik probe-pompa tetapi tanpa waktu respons perangkat Bi₂ O₂ Se fotodetektor [8].

Kinerja fotolistrik NIR multilayer Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis Se. a Fotoresponsivitas, b efisiensi kuantum eksternal, dan c deteksi sebagai fungsi dari panjang gelombang NIR

Secara umum, material berlapis 2D belum menunjukkan sensitivitas yang tinggi dalam rentang deteksi NIR. Sebagai contoh, dichalcogenides logam transisi (TMDs) biasanya memiliki celah pita yang terlalu besar untuk mendeteksi cahaya IR [17], sedangkan untuk graphene, menunjukkan fotorespons kecepatan tinggi tetapi sensitivitas intrinsik sangat rendah kurang dari puluhan mA/W [25]. Meskipun fotoresponsivitas dapat ditingkatkan dengan fabrikasi heterostruktur atom [26,27,28], masih tidak tampil sempurna dalam deteksi NIR. Dibandingkan dengan material 2D lainnya (Tabel 1), multilayer Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis Se menunjukkan kinerja fotolistrik yang lebih baik, terutama R . yang tinggi dan η . yang tinggi . Terlihat, jika etsa kimia diterapkan untuk mengoptimalkan geometri multilayer Bi₂ O₂ Se nanofilm [15], kinerja perangkat dapat lebih ditingkatkan.

Proses fisik foto-respons Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis Se dapat dijelaskan dengan diagram pita energi sederhana (Gbr. 4a). Tanpa penerangan dan tanpa menerapkan bias saluran, perangkat berada dalam keadaan setimbang dan tanpa aliran arus di saluran. Menerangi perangkat dengan cahaya NIR akan menghasilkan penyerapan cahaya dan eksitasi pasangan elektron-lubang, yang dapat diekstraksi dengan menerapkan bias saluran-sumber [29,30,31]. Sejak penghalang Schottky di Bi₂ O₂ Kontak se-logam sangat rendah, pembawa muatan yang dihasilkan foto dapat dengan mudah melewati penghalang [16,17,18]. Oleh karena itu, multilayer Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis se menunjukkan kinerja fotolistrik yang sangat baik.

Mekanisme fisik multilayer Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis Se. a Perilaku pembawa muatan yang dihasilkan foto dari multilayer Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis se. Di sini, E_F adalah energi tingkat Fermi, E_C adalah pita konduksi minimum, E_V adalah pita valensi maksimum. b Proses rekombinasi (status “on” menjadi “status nonaktif”) dari Bi₂ O₂ Fotodetektor berbasis se. Di sini, CB adalah pita konduksi, CV adalah pita valensi, E_vac adalah energi vakum, EA adalah afinitas elektronik

Yang penting, mekanisme peningkatan kinerja fotolistrik harus didiskusikan. Secara teoritis, adsorpsi optik multilayer Bi₂ O₂ Se lebih tinggi dari pada Bi₂ lapisan tipis O₂ Se, yang dapat menginduksi arus foto yang lebih tinggi I _ph [14, 20]. Kekuatan insiden P(x) sebagai fungsi jarak x dapat dinyatakan sebagai P(x) =P _di ·e ^−α·x , di mana α adalah koefisien penyerapan dari Bi₂ O₂ Se nanofilm pada kejadian energi foton. Jumlah daya yang diserap oleh lempengan Bi₂ O₂ Se dengan ketebalanΔx di kejauhan x dari permukaan adalah dR _a =(dP/dx)·Δx . Kemudian, total daya yang diserap oleh Bi₂ O₂ Se film ketebalan d adalah R _a =P _di ·(1 e ^−α·d ). Untuk α·d <<1, daya yang diserap dapat ditulis sebagai R _a =P _di ·α·d [16, 19]. Di sini, ketebalan d dari dalam percobaan kami adalah 5 kali dan 3 kali Ref. [7] dan Ref. [8], masing-masing. Faktanya, multilayer Bi₂ O₂ Se nanofilm dalam pekerjaan kami akan memiliki R . yang lebih baik . Namun, meskipun dengan peningkatan adsorpsi optik, multilayer Bi₂ O₂ Se memiliki beberapa kelemahan, seperti densitas state (DOS) yang lebih tinggi, sehingga menyebabkan state mid-gap lebih banyak dibandingkan dengan monolayer (atau lapisan tipis) [13, 14]. Seperti yang ditunjukkan Gambar 4b, ketika perangkat berubah dari "on state" ke "off state", elektron tereksitasi di pita yang lebih tinggi dari multilayer Bi₂ O₂ Se pertama akan transit ke status mid-gap, dan kemudian kembali ke ground band [16, 17, 19]. Dengan kata lain, masa pakai operator τ pasti akan miring. Situasi yang sama akan muncul ketika perangkat berubah dari "status mati" menjadi "status hidup". Menariknya, dibandingkan dengan pekerjaan sebelumnya, multilayer Bi₂ O₂ Se nanofilm masih memiliki waktu respon yang cepat, yang memuaskan dalam banyak aplikasi [1,2,3]. Ini berarti keberadaan status mid-gap mungkin tidak merusak kinerja dinamis Bi₂ O₂ Se nanofilm. Terakhir, untuk η . yang sangat ditingkatkan , dua alasan utama memainkan peran penting. Pertama, peningkatan lapisan meningkatkan absorbansi foton insiden. Selain itu, keberadaan keadaan celah tengah memungkinkan lebih banyak saluran transisi untuk elektron yang tereksitasi. Jadi, η meningkat secara signifikan [16, 19].