Fotodetektor UV Ultra-Sensitif Menggunakan Titik Kuantum Grafin Hias Nanorod ZnO pada Heterosambungan Isotipe GaN
Abstrak
Kami membuat fotodetektor ultraviolet heterosambungan isotipe baru dengan menumbuhkan array nanorod n-ZnO pada tipis n-GaN dan memaparkan titik kuantum grafin (GQD). Di bawah iluminasi 365 nm, detektor hibrida ini menunjukkan respons cepat—waktu naik 100 ms, waktu turun 120 ms—bersamaan dengan sensitivitas luar biasa. Pada bias 10 V, ia mencapai detektivitas spesifik sekitar 10¹² Jones dan responsivitas 34 mA W⁻¹. Performa unggul ini berasal dari immobilisasi GQD yang efisien pada nanorod ZnO, yang bertindak sebagai penyerap cahaya dan donatur elektron, meningkatkan konsentrasi pembawa muatan dan memfasilitasi fotonar induced oleh UV.
Latar Belakang
Fotodetektor ultraviolet (UV) sangat penting untuk deteksi peluncuran roket, eksplorasi angkasa, pemantauan lingkungan, kalibrasi UV, dan komunikasi optik. Semikonduktor gap energi lebar seperti GaN, CdS, ZnO, Ga₂O₃, ZnS, dan SiC umum digunakan karena penyerapan UV yang kuat. ZnO, dengan gap energi sekitar 3,37 eV dan energi ikatan eksiton yang tinggi (~60 meV) pada suhu ruang, telah menjadi fokus penelitian untuk optoelektronik panjang gelombang pendek.
Fotodetektor berbasis ZnO telah diteliti menggunakan kristal tunggal, tipis, dan struktur nano. Arsitektur satu dimensi ZnO, termasuk nanorod dan nanowire, meningkatkan fotodeteksi dengan meningkatkan transportasi pembawa muatan dan interaksi permukaan. Selain itu, heterostruktur—seperti junction isotipe n-ZnO/n-GaN—memanfaatkan kecocokan jaringan dan gap energi yang serupa (3,37 eV untuk ZnO dan 3,39 eV untuk GaN), yang mengarah pada generasi pembawa muatan yang efisien di bawah iluminasi.
Titik kuantum (QD) sering diintegrasikan dengan ZnO untuk meningkatkan pemisahan dan transportasi muatan. Titik kuantum grafin (GQD), dengan gap energi yang bergantung pada ukuran dan penyerapan optik yang kuat, telah muncul sebagai bahan penyerap cahaya yang menjanjikan untuk fotodetektor lebar dan sel surya. Kerja sebelumnya telah menunjukkan bahwa GQD meningkatkan arus foto dan kecepatan respons ketika dihias pada nanorod ZnO atau junction Schottky polimer. Namun, pengaruh GQD pada junction isotipe n-ZnO/n-GaN belum pernah dilaporkan.
Dalam studi ini, kami menyajikan junction isotipe n-ZnO/n-GaN UV photodetector yang dihias dengan GQD, yang dibuat melalui metode yang sederhana. Perangkat yang dihias GQD menunjukkan arus foto yang jauh lebih tinggi dan reproduktibilitas yang ditingkatkan dibandingkan junction polos, berkat interaksi sinergi antara ZnO, GaN, dan GQD.
Metode / Eksperimen
Persiapan Heterosambungan n-ZnO/n-GaN
Reagen berkualitas analitis dari Sigma-Aldrich digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Tipis n-GaN ditetapkan pada substrat Al₂O₃ oleh deposition kimia vapor logam-organik (MOCVD). Array nanorod n-ZnO kemudian ditumbuhkan langsung pada film GaN melalui proses hidrotermal. Larutan air yang mengandung 0,025 M asetat zinc dihidrat dan 0,025 M heksametilentetramin dipindahkan ke autoklaf lapis Teflon dan dipanaskan pada 95 °c selama 12 jam. Setelah pendinginan, sampel dicuci dengan air deion dan dikeringkan di udara.
Sintesis GQD
GQD disintesis melalui karbonisasi hidrotermal asam sitrat (CA) dalam kondisi alkali. Campuran 0,21 g (1 mmol) CA dan 0,12 g (3 mmol) NaOH dilarutkan dalam 5 mL air, diaduk hingga jernih, dan ditempatkan dalam autoklaf lapis Teflon 20 mL. Larutan dipanaskan ke 160 °c selama 4 jam, kemudian didinginkan. GQD diisolasi dengan menambahkan etanol, sentrifugas pada 10.000 rpm selama 5 menit, dan dibersihkan ultrasonik dengan etanol tiga kali. Padat yang dihasilkan mudah disperdi dalam air.
Pembuatan Fotodetektor UV
Substrat Al₂O₃ dengan heterosambungan n-ZnO/n-GaN dibersihkan dengan air deion dan etanol, kemudian dikeringkan pada 60 °c. GQD diaplikasi dengan pemutaran pada heterosambungan, diikuti oleh lapisan PMMA dan pengukiran plasma terpadu diirkut (ICP). Perangkat ditutup dengan oksida timbal indium (ITO) dan elektroda Ag diterapkan pada GaN untuk kontak Ohmic. Area efektif heterosambungan sekitar 5 × 5 mm². Skema proses pembuatan ditunjukkan pada Skema 1.
Diagram skematik proses pembuatan fotodetektor UV heterosambungan isotipe
Karakterisasi
Mikroskopi elektron pemindai emisi medan (FE-SEM) memeriksa morfologi nanorod ZnO. Mikroskopi elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) mengevaluasi distribusi ukuran GQD. Spektra UV-vis dicatat pada spektrofotometer Lambda 25. Luminescensi foto (PL) diukur dengan spektrometer fluoresensi Shimadzu RF-5301. Spektroskopi fotoelektron sinar X (XPS) menggunakan ThermoFisher-250XI dengan radiasi Al Kα. Difraksi sinar X (XRD) menggunakan Bruker D8 Advance. Spektra Raman diperoleh dengan PerkinElmer 400F. Pengukuran arus foto menggunakan sistem Keithley 4200 di bawah lampu Xenon 300 mW cm⁻² (365 nm).
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1a menunjukkan citra SEM array nanorod ZnO yang tumbuh seragam di seluruh substrat Al₂O₃ yang dilapisi GaN. Citra SEM potongan lintang (Gambar 1b) mengungkapkan ketebalan lapisan 20 µm (substrat), 6 µm (GaN), dan 4 µm (ZnO). XRD (Gambar 1c) menampilkan puncak (002) yang bergabung untuk GaN dan ZnO, mengonfirmasi struktur wurtzite dan pertumbuhan di sepanjang arah [001]. Spektra Raman (Gambar 1d) menunjukkan pita D dan G pada sekitar 1360 cm⁻¹ dan 1600 cm⁻¹, yang mengindikasikan struktur grafit sp² dan cacat tepi pada GQD.
a Citra FE-SEM array nanorod ZnO pada GaN/Al₂O₃ (miring 45°). b Citra SEM potongan lintang. c Pola XRD dengan kurva rock resolusi tinggi (inset). d Spektra Raman GQD yang dihias ZnO/GaN.
Gambar 2a,b menyajikan citra TEM dan HRTEM GQD, yang mengungkapkan distribusi ukuran seragam dengan dimensi lateral rata-rata 3,0 ± 0,6 nm dan giliran jaring 0,21 nm. UV-vis (Gambar 2c) menunjukkan puncak π–π* yang jelas pada 240 nm dan bahu di dekat 310 nm (n–π* dari C=O). Puncak PL pada 442 nm timbul dari transisi π→π*. Survei XPS (Gambar 2d) mengonfirmasi C 1s pada 284,5 eV dan O 1s pada 531,4 eV; spekulasi resolusi tinggi (Gambar 2e,f) mengungkapkan ikatan C=C (284,8 eV) dan O=C–O (288,7 eV), konsisten dengan GQD aromatik.
a Citra TEM (inset distribusi ukuran). b HRTEM. c Spektra UV-vis dan PL (eksitasi 365 nm). d Survei XPS. e C 1s. f O 1s.
Gambar 3a menunjukkan hiasan GQD yang seragam pada nanorod ZnO. Spektra reflectansi difusi UV (Gambar 3b) mengungkapkan penyerapan UV sekitar 20 % lebih tinggi untuk nanorod yang dihias GQD dibandingkan ZnO polos, meningkatkan respons foto. PMMA menyumbangkan penyerapan yang bisa diabaikan dalam rentang 300–350 nm, sehingga pengaruhnya pada performa perangkat minimal.
a Citra TEM nanorod ZnO/GQD representatif (inset: HRTEM). b UV-DRS GQD/ZnO, ZnO polos, dan PMMA.
Gambar 4a,b memplot karakteristik I–V dalam gelap dan di bawah iluminasi 365 nm. Arus gelap tetap rendah, dengan peningkatan ringan setelah lapisan GQD. Di bawah UV, perangkat yang dihias GQD menunjukkan arus foto 0,4 mA pada 1,5 V—lebih dari 40× lebih tinggi dari arus gelapnya—sedangkan perangkat polos menunjukkan perubahan yang bisa diabaikan.
a Kurva I–V di bawah gelap dan UV (dengan/tanpa GQD, inset). b I–V di bawah berbagai kepadatan daya UV. c Respons foto vs. kepadatan daya insiden. d Responsivitas (merah) dan detektivitas (biru) vs. kepadatan daya.
Di bawah bias 10 V, arus foto bergantung pada waktu (Gambar 5a) menunjukkan kenaikan dan penurunan yang cepat, yang mengindikasikan respons yang cepat. Waktu naik adalah 100 ms (GQD) vs. 260 ms (polos); waktu turun adalah 120 ms (GQD) vs. 250 ms (polos). Nilai responsivitas pada 25–120 mW cm⁻² berkisar dari 34 hingga 12,9 mA W⁻¹. Detektivitas maksimum mencapai sekitar 10¹² Jones, melampaui banyak detektor berbasis ZnO.
a Pengalihan on/off yang dapat direproduksi di bawah cahaya 365 nm (siklus 20 s, 10 V). b Kurva transisi diperbesar (dengan/tanpa GQD).
Skema 2 menggambarkan mekanisme respons foto. Adsorpsi oksigen permukaan membentuk lapisan depletif; iluminasi UV menghasilkan pasangan elektron-lubang, dan lubang foton generated memutuskan oksigen yang terserap permukaan, mengurangi lebar depletif dan meningkatkan konduktivitas. GQD meningkatkan injeksi elektron ke dalam ZnO, meningkatkan lebih lanjut densitas pembawa muatan dan mempercepat respons.
a Fotodetektor UV ZnO/GaN dengan/tanpa GQD. b Diagram pita komposit GQD/ZnO/GaN dan transportasi pembawa muatan di bawah UV.
Kesimpulan
Hiasan GQD pada heterosambungan isotipe n-ZnO/n-GaN secara signifikan meningkatkan arus foto dan kecepatan respons di bawah iluminasi UV. Perangkat hibrida mencapai arus foto 0,4 mA pada 1,5 V—lebih dari 40× arus gelap—dan menunjukkan perpindahan dalam skala milidetik. Peningkatan performa berasal dari immobilisasi GQD yang efisien, yang berfungsi sebagai penyerap cahaya dan donatur elektron, dan dari perpaduan pita energi yang menguntungkan yang memfasilitasi pemisahan pembawa muatan yang cepat. Karya ini menunjukkan potensi struktur heterostruktur yang disensitifkan GQD untuk fotodetektor UV berkinerja tinggi dan menyarankan jalan untuk perangkat optoelektronik multi-komposit di masa depan.
