Detektor Pilihan Panjang Gelombang Tinggi Performa Menggunakan Nanobelt Tunggal CdSSe

Abstrak

Nanobelt (NB) CdSSe disintesis oleh avaporasi panas dan kemudian dikarakterisasi oleh mikroskop elektron pemindai (SEM), difraksi X-ray (XRD), mikroskop elektron transmisi (TEM), mikroskop elektron resolusi tinggi (HRTEM), spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS), fotoluminesensi (PL), dan katodoluminesensi (CL). Ditemukan bahwa NB CdSSe memiliki morfologi dan mikrostruktur yang baik tanpa cacat. CL sensitif terhadap cacat NB CdSSe; sehingga kita dapat memilih nanobelt tunggal dengan emisi CL homogen untuk menyiapkan detektor. Berdasarkan itu, detektor tunggal NB CdSSe dikembangkan dan properti fotoelektriknya diselidiki secara rinci. Ditemukan bahwa di bawah iluminasi cahaya putih dan pada tegangan bias 1 V, arus foto dari perangkat nanobelt tunggal CdSSe adalah 1,60 × 10⁻⁷ A, arus gelap adalah 1,96 × 10⁻¹⁰ A, dan rasio arus cahaya ke arus gelap adalah 816. Selain itu, detektor nanobelt CdSSe memiliki performa fotoelektrik yang tinggi dengan responsivitas spektral 10,4 AW⁻¹ dan efisiensi kuantum eksternal (EQE) 19,1%. Waktu naik/menurunnya sekitar 1,62/4,70 ms. Karya ini menawarkan strategi baru untuk merancang detektor yang dikontrol panjang gelombang dengan menyesuaikan komposisinya.

Latar Belakang

Baru-baru ini, nanomaterial semikonduktor telah banyak dipelajari sebagai perangkat optoelektronik, seperti dioda pemancar cahaya [1, 2], perangkat fotovoltaik [3], sel surya [4, 5], generasi H₂ elektrokatalitik [6, 7], dan detektor cahaya [8,9,10]. CdS dan CdSe adalah materi semikonduktor II–VI dengan bandgap pada suhu kamar masing-masing 2,42 dan 1,74 eV. Mereka dianggap sebagai materi terbaik untuk pembuatan detektor cahaya karena bandgapnya sesuai dengan panjang gelombang penyerapan di wilayah cahaya visibel [11, 12].

Nanostruktur satu dimensi seperti nanokawat [13], nanobelt [14], dan nanororot [15] telah digunakan dalam sensor dan detektor cahaya karena rasio permukaan-ke-volume yang tinggi, properti fisik, dan properti kimia [16]. Di antaranya, beberapa nanostruktur seperti ZnO [17], CdS [18], CdSe [19], MoS₂ [20], ZnₓCd₁₋ₓSe [21], CdS₁₋ₓSeₓ [22], dan ZnₓCd₁₋ₓS [23] telah digunakan dalam pembuatan detektor cahaya. Pan et al. melaporkan bahwa detektor berbasis heterostruktur CdS₀.₄₉Se₀.₅₁/CdS₀.₉₁Se₀.₀₉ memiliki performa baik [24]. Namun, bagaimana mengembangkan detektor dengan respons dan selektivitas tinggi yang memiliki performa luar biasa masih merupakan tantangan.

Dalam karya ini, NB CdSSe disintesis oleh avaporasi panas. Kami melakukan pembuatan dan karakterisasi perangkat tunggal CdSSe. Setelah itu, properti fotoelektrik perangkat tunggal NB CdSSe diselidiki secara sistematis. Berdasarkan itu, kami melakukan CL NB CdSSe pada suhu kamar dan suhu rendah dan menemukan bahwa CL sensitif terhadap cacat NB CdSSe. Oleh karena itu, kami memilih nanobelt dengan mikrostruktur sempurna untuk merancang perangkat dengan CL sehingga mereka dapat mencapai properti yang diinginkan.

Metode

Persiapan Nanobelt CdSSe

NB tunggal kristal CdSSe disiapkan oleh avaporasi panas. Untuk sintesis NB CdSSe, campuran bubuk CdS murni (99,99 wt%) dan bubuk CdSe (9,99 wt%) yang dicampur dalam rasio bobot 1:1 dimasukkan ke dalam keramik pelayaran. Keramik pelayaran ditempatkan di tengah tabung kuarsa. Substrat silikon yang dilapisi dengan film Au sekitar 10 nm ditempatkan ke dalam tabung; jarak antara substrat silikon dan keramik pelayaran sekitar 5–7 cm. Pemanas dipanaskan ke 820 °C dan kemudian dipelihara selama 2 jam. Akhirnya, pemanas secara alami pendingin ke suhu kamar. Nanobelt dengan komposisi berbeda ditetapkan pada posisi yang berbeda dari substrat Si. Sepanjang eksperimen, gas Ar mengalir pada 20 sccm, dan tekanan di dalam tabung dipertahankan pada 112 Torr.

Karakterisasi Bahan

Morfologi, struktur, dan komposisi nanobelt dikarakterisasi oleh SEM, XRD, TEM, HRTEM, dan XPS. Spektra PL diukur di bawah ekscitasi laser 532-nm. Spektra CL NB CdSSe diukur pada suhu kamar dan suhu rendah oleh sistem katodoluminesensi (CL) (Gatan monocle CL4) yang dipasang pada mikroskop elektron pemindai (Quanta FEG 250).

Pembuatan Perangkat Nanobelt

Elektroda Ti/Au ditetapkan pada kedua ujung nanobelt tunggal yang terdispersi pada substrat Si dengan lapisan SiO₂ tebal 500 nm, dan kemudian perangkat diperoleh. Proses pembuatan rinci perangkat dirujuk pada literatur [25]. Bagian nanobelt yang tidak tertutup diekspos pada cahaya insiden. Gambar 1 adalah diagram skematik pengujian perangkat.

Karakterisasi Fotoelektrik

Pengukuran pada performa fotoelektrik nanobelt dilakukan oleh sistem semiconductor Keithley 4200 dan spektrometrik monokromatik. Arus foto perangkat diukur dengan mengubah cahaya insiden yang diturunkan secara vertikal pada perangkat, dan kurva I–V dilakukan oleh pengukuran dua sond.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2a menunjukkan citra SEM dari NB CdSSe yang baru disiapkan. Ditemukan bahwa NB CdSSe memiliki morfologi yang baik dan lebar seragam serta panjang hingga ratusan mikrometer. Gambar 2b adalah citra SEM perbesar tinggi dari nanobelt CdSSe. Teramati bahwa nanobelt tipis dan seragam dengan lebar 2,632 μm. Gambar 2c dan inset-nya menyajikan citra bright-field TEM dan pola difraksi area terpilih (SAD) dari nanobelt tunggal dengan lebar 2,94 μm dan ketebalan kurang dari 50 nm. Pola SAD mengonfirmasi kualitas tunggal kristal, dan dapat diindeks ke struktur heksagonal dengan parameter jaringan a = 4,177 Å dan c = 6,776 Å. Citra HRTEM yang sesuai ditampilkan dalam Gambar 2d, dan spasi jaringan antara bidang berseberangan adalah 0,34 nm, sesuai dengan bidang kristal (110). Maka arah pertumbuhan adalah sepanjang [110].

EDX dan pemetaan elemen nanobelt CdSSe ditampilkan dalam Gambar 3. Citra SEM dari sampel pada perbesar rendah ditampilkan dalam Gambar 3a. Teramati bahwa seluruh wilayah ditutupi oleh nanobelt. Gambar 3b adalah distribusi total Cd, S, dan Se. Pemetaan elemen Cd, S, dan Se ditampilkan dalam Gambar 3c–e, masing-masing. Terungkap bahwa Cd, S, dan Se terdistribusi secara seragam dalam seluruh nanobelt. Spektra EDX yang dikoleksi dari nanobelt yang sama ditampilkan dalam Gambar 3f, menunjukkan bahwa nanobelt terdiri dari elemen Cd, S, dan Se.

Pola XRD dan XPS dari NB CdSSe ditampilkan dalam Gambar 4. Semua puncak difraksi dapat diindeks ke struktur heksagonal CdS₀.₇₆Se₀.₂₄ dengan parameter jaringan a = 4,177 Å dan c = 6,776 Å, yang konsisten 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°) cocok dengan bidang kristal (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112), dan (201), masing-masing. Tidak terdeteksi impurity lainnya. Puncak difraksi yang tajam dan sempit menyiratkan bahwa NB CdSSe yang dihasilkan memiliki kristalinitas yang baik. Gambar 4b menunjukkan energi ikatan Cd3d₅/₂ dan Cd3d₃/₂ untuk NB CdSSe pada 404,8 dan 411,7 eV, masing-masing, yang nilainya dekat dengan yang dilaporkan dalam karya sebelumnya [26]. Jarak pemisahan antara dua puncak adalah 6,9 eV, menunjukkan bahwa atom Cd berada dalam fase CdS utuh [27]. Dekomposisi puncak S(2p) menunjukkan dua puncak Gauss, berpusat pada 160,7 dan 165,1 eV dalam Gambar 4c. Spektra elektron valensi Se(3d) ditampilkan dalam Gambar 4d, di mana hanya satu puncak yang terletak pada 53,5 eV diamati. Oleh karena itu, hasil XPS mengonfirmasi bahwa nanobelt terdiri dari elemen Cd, S, dan Se.

Gambar 5 adalah spektrum fotoluminesensi NB CdSSe; ada dua puncak dalam rentang 500–1000 nm. Satu berpusat pada 603 nm berasal dari emisi tepi-band-dekat (NBE) dari NB CdSSe. Yang lain berpusat pada sekitar 950 nm mungkin terkait dengan emisi level dalam, yang diamati dalam In₂Se₃ dan Ga₂Se₃ [28, 29].

Citra SEM dan CL dari nanobelt tunggal CdSSe dijelaskan dalam Gambar 6a, b. Ini menjelaskan bahwa permukaan nanobelt datar dan halus dan kecerahan tidak homogen sepanjang panjangnya. Gambar 6c, d adalah spektrum CL resolusi spasial dari nanobelt yang sama pada suhu kamar (295 K) dan suhu rendah (93 K). Ini menyoroti bahwa intensitas CL NBE karakteristik pada NB CdSSe berbeda dari titik ke titik, dan rasio sinis-ke-bisingnya tidak baik pada 295 K, sedangkan CL kuat dengan intensitas berbeda dari titik ke titik pada 93 K. Hasil ini sepemu dengan citra CL. Selain itu, puncak karakteristik terletak pada 625 nm, tidak ada emisi cacat yang diamati, dan intensitas pada 93 kira-kira 220 kali lebih kuat daripada pada 295 K. Oleh karena itu, NB CdSSe memiliki properti luminesensi yang baik pada suhu rendah.

Gambar 7a adalah citra SEM dari nanodevice, yang memvisualisasikan bahwa lebar NB CdSSe tidak seragam. Lebar NB yang diukur adalah 30,85 dan 36 μm dan panjangnya 9,754 μm, seperti yang ditandai dalam Gambar 7a. Karakteristik I–V dari perangkat NB CdSSe ditampilkan dalam Gambar 7b dalam kondisi gelap dan iluminasi cahaya putih dengan densitas daya 43,14 mW/cm². Seperti yang dapat dilihat, arus foto meningkat secara besar di bawah iradiasi cahaya putih, karena cahaya insiden menghasilkan pasangan elektron-lubang, sehingga meningkatkan arus foto. Bentuk linier kurva I–V menyiratkan bahwa kontak ohmik yang baik terbentuk antara NB CdSSe dan elektroda Ti/Au. Arus foto adalah 1,6 × 10⁻⁷ A, dan arus gelap sekitar 1,96 × 10⁻¹⁰ A. Maka rasio arus foto ke arus gelap adalah 816. Gambar 7c adalah kurva I–V yang diambil setelah logaritma dan ditemukan bahwa arus foto lebih tinggi tiga orde besarnya dibandingkan arus gelapnya.

Untuk menjelajih lebih lanjut properti fotoelektronik perangkat, kami mengukur arus foto perangkat tunggal NB CdSSe, seperti yang ditampilkan dalam Gambar 8. Pada tegangan bias 1 V, respons spektral perangkat dalam rentang 600 hingga 800 nm ditampilkan dalam Gambar 8a. Terlihat bahwa respons sangat kuat ketika panjang gelombang kurang dari 674 nm, dan kemudian semakin lemah ketika panjang gelombang lebih dari 674 nm. Gambar 8b menyajikan kurva I–V yang diukur di bawah iluminasi cahaya 674 nm dengan berbagai densitas daya. Ditemukan bahwa arus foto meningkat seiring peningkatan densitas daya, menyiratkan bahwa efisiensi penanggung muat fotogenerasi proporsional dengan jumlah foton yang diserap [30]. Plot logaritmik yang sesuai dengan Gambar 8b disorot dalam Gambar 8c. Terungkap bahwa perangkat NB CdSSe memiliki respons terbaik pada densitas daya 6,11 mW/cm². Gambar 8d adalah hubungan antara arus foto dan densitas daya optik. Dengan fitting nilai arus foto bergantung pada densitas daya Iₚ = AP^θ, di mana Iₚ adalah arus foto, P adalah densitas daya optik, A adalah konstanta yang bergantung pada panjang gelombang, eksponen θ menentukan respons arus foto terhadap daya [31], fitting yang baik terhadap hasil eksperimen telah diperoleh dengan θ = 0,69. Laporan pada eksponen non-satuan dengan 0,5 < θ < 1 menyiratkan proses kompleks generasi, rekombinasi, dan penangkap pasangan elektron-lubang dalam materi fotoaktif [32], sedangkan ketergantungan intensitas dengan θ < 0,5 mungkin timbul akibat mekanisme cacat, termasuk pusat rekombinasi dan penangkap. Oleh karena itu, θ = 0,69 berarti bahwa nanobelt CdSSe tidak memiliki cacat, yang sepemu dengan HRTEM dan CL.

Tidak diketahui lagi bahwa responsivitas spektral (Rλ) dan efisiensi kuantum eksternal (EQE) adalah parameter kritis untuk perangkat optik, yang dapat didefinisikan sebagai Rλ = Iₚₕ/(PλS) dan EQE = hcRλ/(qλ), di mana Iₚₕ adalah selisih antara arus foto dan arus gelap, Pλ adalah densitas daya cahaya yang diiradiasi pada nanobelt, S adalah area terang efektif, c adalah kecepatan cahaya, h adalah konstanta Planck, q adalah muatan elektron, dan λ adalah panjang gelombang eksitasi [33, 34]. Kami menghitung nilai Rλ dan EQE yang sesuai dari perangkat NB CdSSe adalah 10,4 A/W dan 19,1%.

Gambar 9a menunjukkan respons waktu detektor NB CdSSe, yang diukur dengan secara periodik menyalakan dan mematikan cahaya 674-nm dengan intensitas 4,87 mW/cm² pada tegangan bias 1 V. Daripada itu, kita dapat melihat bahwa perangkat NB CdSSe menunjukkan stabilitas reversibel yang baik pada properti switching. Gambar 9b adalah tepi naik dan turun tegangan dari resistansi yang diukur oleh osiloskop. Ini mencerminkan waktu naik dan turun fotokonduktansi NB CdSSe. Dengan dan tanpa iluminasi cahaya 674-nm (4,87 mW/cm²), tegangan dari resistansi bervariasi. Terlihat bahwa waktu naik/turun adalah 1,62/4,70 ms, masing-masing. Kami membandingkan parameter penting dari detektor cahaya kami dengan yang lain berdasarkan nanobelt tunggal atau nanosheet (NS). Ditemukan bahwa Rλ dari perangkat NB CdSSe dalam karya ini lebih besar dari detektor nanostruktur lain seperti CdS [34] dan ZnS NB [35], BiO₂Se [36], GaSe [37], SnS [38], dan Bi₂S₂ NS [39]. Waktu turun lebih pendek dari ZnS NB [35] dan GaSe NS [37], tetapi lebih lama dari yang lain [34, 36, 38, 39], seperti yang diringkas dalam Tabel 1, sehingga mengonfirmasi potensi aplikasi NB CdSSe untuk bidang deteksi cahaya.

Kesimpulan

Secara ringkas, NB CdSSe tumbuh dalam pemanas suhu tinggi oleh avaporasi panas. NB yang dihasilkan dikarakterisasi oleh berbagai metode. Ditemukan bahwa NB CdSSe memiliki mikrostruktur sempurna tanpa cacat dan nanobelt terdiri dari elemen Cd, Se, dan S. Hasil CL mengungkapkan bahwa intensitas NB tunggal CdSSe pada suhu rendah (93 K) lebih kuat daripada pada suhu kamar (295 K), dan rasio sinis-ke-bising lebih baik pada 93 K. Setelah itu, kami mengembangkan detektor CdSSe berdasarkan tunggal NB dan mempelajari properti optoelektroniknya. Detektor mencapai performa tinggi dengan responsivitas 10,4 A/W, waktu naik/turun 1,62/4,70 ms, dan efisiensi kuantum eksternal (EQE) 19,1% pada 674 nm, yang memiliki stabilitas dan repetitivitas yang baik dalam properti fotoelektronik. Karya ini membuka jalan menuju pengembangan detektor cahaya visibel kontinu-panjang gelombang dengan menyesuaikan komposisinya.

Singkatan

CL:

Katodoluminesensi

EDX:

Energi-disperse X-ray

EQE:

Efisiensi kuantum eksternal

HRTEM:

Mikroskop elektron resolusi tinggi

NB:

Nanobelt

NBE:

Tepi-band-dekat

NS:

Nanosheet

PL:

Fotoluminesensi

Rλ:

Responsivitas

SAD:

Difraksi area terpilih

SEM:

Mikroskop elektron pemindai

TEM:

Mikroskop elektron transmisi

XPS:

Spektroskopi fotoelektron X-ray

XRD:

Difraksi X-ray