Kontrol Dinamis Responsivitas Foto Jarak Tinggi dalam Fotodetektor Nanoribbon Graphene

Hasil dan Diskusi

GNR diharapkan menjadi pembawa yang ideal untuk fotodeteksi. Fotodetektor GNR yang kami buat terdiri dari elektroda sumber dan elektroda pembuangan pada Si/SiO₂ substrat dengan wafer silikon yang didoping ringan yang bertindak sebagai gerbang belakang, seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 1a. Untuk memastikan mobilitas tinggi dan mendapatkan celah pita yang cukup besar secara bersamaan, lebar pita nano graphene dipilih menjadi 20 nm sedang. Struktur lengkap GNR ditunjukkan dalam gambar mikroskop elektron pemindaian (Gbr. 1b), dan panjang nanoribbon graphene adalah 2 m. Berbeda dari fotodetektor konvensional, Si dengan doping ringan diadopsi sebagai substrat dengan alasan bahwa masa pakai pembawanya jauh lebih lama daripada Si yang didoping berat [27].

Karakterisasi listrik berulang kali dilakukan dan akibatnya I-V _{S A} hubungan diplot pada Gambar. 1c. Kurva di bawah tegangan gerbang belakang yang berbeda dalam kisaran dari – 10 V hingga 10 V adalah nonlinier dan asimetris, menunjukkan adanya medan listrik internal, yang mungkin dihasilkan dari cacat yang diinduksi fabrikasi atau penghalang Schottky pada kontak elektroda . Medan listrik internal memiliki efek yang tidak dapat diabaikan pada arus foto dari fotodetektor GNR, yang akan diilustrasikan nanti. Inset adalah perbandingan karakteristik IV perangkat di bawah gelap dan iluminasi (menerapkan pulsa laser dengan frekuensi 10 Hz), memanifestasikan tunabilitas switching optik yang sensitif. Jelas, kurva I-V bergeser sebagai V _G bervariasi. Untuk mengetahui lebih lanjut efek V_G pada karakteristik transportasi muatan saluran GNR, karakteristik transfer dalam keadaan gelap dicatat pada suhu kamar seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1d. I . yang terukur _D – V _G kurva di V _SD =10 mV menunjukkan bahwa perangkat kami menampilkan perilaku khas fotodetektor berbasis graphene, dan GNR bertindak sebagai saluran tipe-p dengan pergeseran 20 V.

Untuk sistem optoelektronik tipikal, kecepatan respons (ditandai dengan total waktu yang diperlukan agar output naik (turun) dari 10 (90)% menjadi 90 (10)% puncak pulsa) fotodetektor menentukan kecepatan lari dan kapasitas informasi. dari sistem fotodeteksi. Untuk menyelidiki waktu respon akhir dari perangkat yang dibuat, sinyal optik input dengan frekuensi pulsa yang berbeda dari 40 Hz, 400 Hz, dan 50.000 Hz diterapkan. Gambar 2b-d menunjukkan total arus foto yang diselesaikan dengan waktu yang sesuai, yang secara intuitif mencerminkan bahwa fotodetektor yang dibuat dapat dinyalakan dan dimatikan secara efisien dengan pengulangan yang sangat baik. Selanjutnya, ketika frekuensi laser diatur ke 50.000 Hz, waktu naik diukur menjadi 10 s. Kami percaya bahwa perangkat kami diharapkan beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi di atas 50.000 Hz, dan nilai kecepatan respons yang akurat tidak jelas karena keterbatasan peralatan pengukur. Tercatat bahwa fotodetektor GNR berjalan jauh lebih cepat daripada kebanyakan fotodetektor berdasarkan graphene dan TMD 2D lainnya [28,29,30,31]. Dipercaya bahwa peralihan arus foto yang cepat dapat dikaitkan dengan mobilitas pembawa ultratinggi dari GNR dengan lebar seperti itu dan medan listrik eksternal yang kuat.

Selain kecepatan respons yang cepat, responsivitas tinggi dan penguatan yang ditingkatkan sangat diperlukan untuk penerapan fotodetektor. Oleh karena itu, melalui penerapan cahaya pada seluruh perangkat pada suhu kamar, kami mempelajari lebih lanjut fotorespons fotodetektor GNR tanpa bias sumber-drain dan tegangan gerbang-belakang. Gambar 2a menyajikan pengukuran arus foto yang bergantung pada waktu dari perangkat tanpa adanya tegangan bias di bawah modulasi cahaya on-off. Arus foto yang diamati adalah 275 nA(I _iluminasi =293 nA, Aku _gelap =18 nA) di bawah iluminasi, yang menunjukkan fotoresponsivitas tinggi R =17,2 AW ⁻¹ dan perolehan tinggi G =1465 juga, dihitung melalui dua persamaan berikut:

dimana Aku _P (275 nA) adalah arus foto, sedangkan S _L (6,25 mm ² ) dan S _G (2 m×10 m) masing-masing adalah luas sebenarnya dari laser dan GNR, dan P (5 mW) adalah kekuatan laser insiden dengan panjang gelombang λ _di (532nm). Sangat penting untuk mengeksplorasi mekanisme pembangkitan arus foto dari fotodetektor GNR untuk memperjelas kinerja tinggi perangkat kami. Untuk fotodetektor berdasarkan bahan dua dimensi, terutama ada dua mekanisme pembangkitan arus foto:efek fotokonduktif (PC) dan efek fotovoltaik (PV) [32].

Tanpa menerapkan bias sumber-penguras, PV bertanggung jawab atas pembangkitan arus foto karena dua medan listrik built-in terbentuk antara GNR dan elektroda. Kedua medan listrik tersebut tidak sama besarnya akibat cacat yang terbentuk pada proses pembuatannya. Ketika cahaya mencapai wilayah pada antarmuka Au-GNRs, pasangan lubang elektron yang dihasilkan foto dihasilkan dan kemudian dipisahkan oleh bidang bawaan, yang memberikan kontribusi signifikan pada pembangkitan arus foto. Di bawah bias sumber-penguras, bagaimanapun, dua medan listrik built-in pada antarmuka Au-GNR memainkan peran kecil dalam pembangkitan arus foto. Oleh karena itu, PC memainkan peran paling penting dalam pembangkitan arus foto dalam hal penerapan bias sumber-penguras. Setelah menyerap foton, saluran GNR menghasilkan lebih banyak pembawa bebas, mengurangi hambatan saluran pembawa. Oleh karena itu, arus foto yang signifikan I _P =\( \frac{V_{OC}}{R_G} \)( V _OC mewakili tegangan rangkaian terbuka dan R _G adalah resistansi total saluran yang dibentuk oleh 16 nanoribbon graphene) yang diamati.

Seperti dapat dilihat pada Gambar. 2a–d, a μA -tingkat arus foto diamati, yang mungkin disebabkan oleh kontribusi tiga aspek. Salah satunya adalah bahwa tingkat rekombinasi pasangan elektron-lubang berkurang akibat celah pita di GNR. Yang lainnya adalah bahwa elektron fotogenerasi ditangkap selama transisi dari pita valensi ke pita konduksi oleh keadaan celah tengah [33] yang disebabkan oleh cacat tepi GNR. Oleh karena itu, sebelum lubang dan elektron yang terperangkap bergabung kembali, lubang dapat bersirkulasi di antara elektroda sumber saluran untuk membentuk arus foto, mencapai penguatan yang tinggi. Aspek ketiga adalah akumulasi elektron pada SiO₂ /Si antarmuka setara dengan menerapkan medan listrik vertikal, dan dengan demikian konduktansi saluran sangat ditingkatkan. Selanjutnya, pada Gambar. 2a-d, arus foto yang diperoleh memiliki sedikit ketergantungan pada frekuensi cahaya datang yang dimodulasi oleh perajang optik, yang mirip dengan MoS₂ yang dilaporkan. fotodetektor [24]. Efek fotokonduktif memainkan peran utama dalam pembangkitan arus foto dari fotodetektor GNR ketika frekuensi cahaya diatur oleh helikopter. Namun, ketika perangkat terkena cahaya (0 Hz), efek photogating akan signifikan dalam proses generasi pembawa, yang mengarah ke perangkap dan rekombinasi dalam semikonduktor.

Proses fisik rinci dari aspek ketiga yang dibahas di atas ditunjukkan pada Gambar. 2e, f. Untuk mencapai keadaan setimbang dalam gelap, elektron akan berdifusi dari SiO₂ terhadap Si karena adanya perbedaan kadar Fermi antara kedua material tersebut, yang menyebabkan terjadinya pembengkokan pita energi pada Si/SiO₂ antarmuka. Akibatnya, medan listrik (E) bawaan yang kuat terbentuk di daerah penipisan, yang secara efisien memisahkan pasangan lubang elektron yang difotogenerasi dengan elektron yang bergerak ke antarmuka antara Si dan SiO₂ sedangkan lubang-lubang berpindah ke daerah interior Si. Elektron kemudian terakumulasi pada SiO₂ /Si, dan elektron yang terperangkap ini menerapkan tegangan vertikal negatif tambahan ke GNR, di mana keberadaan elektron ini meningkatkan konsentrasi lubang dan menurunkan tingkat Fermi saluran GNR.

Meskipun perangkat menampilkan kinerja tinggi, penting untuk mencari beberapa pendekatan efektif untuk secara signifikan meningkatkan arus foto dan responsivitas perangkat. Kemudian, efek dari bias sumber-drain dan tegangan gerbang pada arus foto diselidiki secara sistematis. Gambar 3a menunjukkan hasil arus foto (I _laser ), latar belakang saat ini (I _gelap ), dan respons foto saat ini (I _ph ) pengukuran sebagai fungsi dari tegangan source-drain (− 3 V V _{S A} 10 V) pada tegangan gerbang tetap. Arus foto tidak nol pada V _{S A} =0 dan meningkat secara nonlinier dengan tegangan source-drain, juga membuktikan adanya medan listrik built-in. Jelas bahwa nilai arus foto sangat bergantung pada bias sumber-penguras.

Penjelasan yang meyakinkan untuk tunability melalui tegangan source-drain adalah bahwa hubungan antara photocurrent, background current, dan photoresponse current dapat dinyatakan sebagai I _iluminasi =Aku _ph + Aku _gelap , di mana Aku _ph dan Aku _gelap meningkat dengan tegangan sumber pembuangan V _{S A} karena kecepatan drift pembawa meningkat dan waktu transit pembawa berkurang di bawah medan listrik eksternal [34]. Oleh karena itu, efisiensi pemisahan pembawa fotogenerasi meningkat, secara signifikan berkontribusi pada arus foto besar. Fenomena tersebut menunjukkan bahwa medan listrik total saluran GNR, jumlah medan listrik internal dan medan listrik eksternal, dapat dimodulasi oleh V _{S A} .

Selain itu, dengan mempertimbangkan kepadatan pembawa GNR yang dapat disetel gerbang, arus foto perangkat kami disesuaikan secara efektif dengan memodulasi tegangan gerbang belakang. Gambar 3b menampilkan ketiga jenis arus ini (I _iluminasi , Aku _ph dan Aku _gelap ) sebagai fungsi dari tegangan gerbang belakang (− 5 V V_G 5 V) di V _{S A} =0. Secara umum, arus foto berkorelasi positif dengan nilai absolut tegangan gerbang, karena kerapatan pembawa GNR sensitif terhadap medan listrik vertikal eksternal. Menariknya, arus foto meningkat ketika tegangan gerbang meningkat ketika tegangan gerbang negatif (− 5 V V_G 0 V), dan sebaliknya terjadi ketika tegangan gerbang positif (0 V V_G 5V). Fenomena ini dapat dijelaskan oleh perilaku tipe-p dari saluran GNR, yang sesuai dengan pengamatan pada Gambar. 2d. Hasilnya menunjukkan bahwa peningkatan |V_G | dapat menyetel tingkat Fermi saluran lebih dekat ke pita valensi (atau pita konduksi) dan konduktansi saluran GNR dapat disetel gerbang. Khususnya, untuk kedua metode modulasi (tegangan sumber-penguras dan tegangan gerbang-belakang), tunabilitas arus foto ditunjukkan dalam rentang ultrawide dari level nA hingga level A.

Selain itu, responsivitas dan penguatan juga dapat dimodulasi secara efisien dengan mengatur tegangan gerbang dan tegangan sumber-penguras fotodetektor GNR. Gain dan ketergantungan fotoresponsivitas dari bias sumber-tiriskan dihitung [menurut Persamaan. (1) dan (2)] dan selanjutnya diplot pada Gambar 4a, b. Untuk fotodetektor berdasarkan GNR, hubungan antara penguatan dan V _{S A} diberikan oleh rumus berikut:

dimana τ adalah masa pakai lubang berlebih (umur lubang terperangkap), dan τ _T = l ² /(μV _{S A} ) adalah waktu transit pengangkut, sedangkan l adalah panjang saluran dan μ adalah mobilitas pembawa, sedangkan V _{S A} adalah bias sumber-drain. Oleh karena itu, penguatan dan tegangan sumber-drain menunjukkan korelasi positif. Rupanya, G tergantung linier pada bias sumber-drain. Hasilnya, responsivitas foto maksimum R =170 AW ⁻¹ dan keuntungan maksimum G =14.500 dicapai pada suhu kamar di V _{S A} =0,5 V, yang merupakan peningkatan 100 kali lipat dari fotodetektor berbasis graphene-nanostructure sebelumnya [26, 35, 36]. Lebih penting lagi, nilai gain dan fotoresponsivitas tidak jenuh. Akibatnya, penguatan dan fotoresponsivitas yang lebih tinggi dapat dicapai jika tegangan sumber pembuangan yang lebih besar diterapkan.

Gambar 4c, d menunjukkan bahwa fotoresponsivitas dan penguatan juga dapat ditingkatkan dengan menerapkan bias gerbang belakang untuk meningkatkan konsentrasi pembawa GNR. Fotoresponsivitas maksimum R =800 AW ⁻¹ dan keuntungan maksimum G =22400 diperoleh di V_G =- 4 V. Nilai maksimum fotoresponsivitas ini lima kali lipat lebih tinggi daripada fotodetektor graphene murni (~ 10 mAW ⁻¹ ) [37]. Selain itu, baik penguatan maupun fotoresponsivitas tidak jenuh, oleh karena itu, fotoresponsivitas yang lebih tinggi dapat dicapai dengan menerapkan tegangan gerbang belakang yang lebih besar. Selain konsentrasi pembawa, faktor lain yang secara signifikan mempengaruhi arus saluran adalah resistansi kontak (R _C ) antara elektroda Au dan GNR yang tidak dapat dipisahkan terkait dengan ketinggian penghalang Schottky pada antarmuka [34]. Karena GNR berfungsi sebagai saluran tipe-p, saat menerapkan V . negatif _G , ketinggian penghalang Schottky berkurang karena tingkat Fermi yang lebih rendah. Sebaliknya, ketika V _G ditingkatkan ke nilai positif, ketinggian penghalang Schottky ditingkatkan, dan arus di saluran sangat ditekan.

Akhirnya, kami beralih ke investigasi ketergantungan waktu dari arus foto di bawah cahaya daya yang datang. Gambar 5a menampilkan pengukuran arus foto yang bergantung pada waktu di bawah kekuatan cahaya yang berbeda. Arus foto ini cukup besar untuk pengukuran langsung tanpa pra-penguat arus atau penguat pengunci, bahkan pada daya optik tingkat mW. Gambar 5b memplot arus foto sebagai fungsi daya optik insiden. Arus foto memiliki hubungan nonlinier dengan kekuatan insiden (I _ph =P ^α , =0,85). Di bawah daya cahaya rendah, kontribusi arus photogate dominan, dan efek fotokonduktif dapat diabaikan karena penurunan jumlah pembawa fotogenerasi [23]. Pada iluminasi cahaya yang lebih tinggi, sebaliknya, arus yang meningkat diamati, yang dapat dikaitkan dengan peningkatan jumlah elektron fotogenerasi (efek fotokonduktif). Selain itu, perangkat peka terhadap cahaya yang datang dan arus foto yang dihasilkan terkait erat dengan energi cahaya yang datang, mengungkapkan potensi luar biasa untuk monitor daya optik. Perbandingan parameter optoelektronik di berbagai fotodetektor disajikan pada Tabel 1.