Detektor Foto Ultraviolet Berkinerja Tinggi Berdasarkan Graphene Quantum Dots Dihiasi ZnO Nanorods/GaN Film Isotype Heterojunctions

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a menampilkan gambar SEM dari susunan nanorod ZnO yang telah tumbuh. Array nanorod ZnO seragam di seluruh Al₂ O₃ substrat berlapis dengan film GaN telah diperoleh di bawah kondisi hidrotermal. Gambar 1b menunjukkan gambar SEM penampang perangkat. Ketebalan substrat, film GaN, dan ZnO NR masing-masing diukur sebagai 20, 6, dan 4 m. Gambar 1c menggambarkan pola difraksi sinar-X dari heterojungsi n-ZnO/n-GaN. GaN dan ZnO dengan struktur kristal wurtzite memiliki parameter kisi yang sama, sehingga mengarah pada penggabungan (002) puncak difraksi dari dua semikonduktor. Melalui analisis kurva goyang sinar-X resolusi tinggi, puncak (002) dari GaN dan ZnO dapat diamati dengan jelas, ditunjukkan pada sisipan Gambar 1c. Puncak difraksi terkuat (002) menunjukkan bahwa mikrorod terutama tumbuh sepanjang arah [001]. Pada Gambar. 1d, pita D pada 1360 cm ⁻¹ dan pita G pada 1600 cm ⁻¹ juga dapat diamati, yang dikaitkan dengan sp ² struktur grafit dan cacat lokal / gangguan bahan karbon, masing-masing. Rasio tinggi intensitas puncak D/G menunjukkan bahwa sejumlah besar cacat dan gangguan ada di tepi atau permukaan struktur GQD [31].

a Gambar FE-SEM dari susunan nanorod ZnO yang ditumbuhkan di atas film GaN pada Al₂ O₃ substrat (45 ° miring). b Gambar FE-SEM penampang perangkat. c Pola difraksi sinar-X sampel ZnO/GaN (inset:kurva goyang resolusi tinggi dari refleksi (002) yang menyelesaikan puncak ZnO dan GaN). d Spektrum Raman dari heterojungsi n-ZnO/n-GaN yang didekorasi dengan GQD

Gambar 2a, b menunjukkan gambar TEM dan HRTEM dari GQD yang diperoleh. Dapat ditemukan bahwa GQD memiliki distribusi ukuran partikel yang relatif seragam dengan pinggiran kisi 0,21 nm, dan ukuran lateral rata-rata dihitung secara statistik sebesar 3,0 ± 0,6 nm (dilihat dari sisipan pada Gambar. 2a). Gambar 2c menunjukkan spektrum UV-Vis dari GQD. Seperti yang dapat dilihat, ada puncak kuat di sekitar 240 nm, sesuai dengan transisi –π* sp ² aromatik. cluster, dan bahu yang lebih lemah dalam kisaran 300~320 nm, sesuai dengan transisi n–π* ikatan C=O [32, 33]. Spektrum PL dari GQD menunjukkan puncak yang berpusat pada 442 nm, terutama berasal dari transisi →π*. Dalam spektrum survei XPS, dua puncak yang berpusat pada ~ 284.5 eV dan 531,4 eV ditunjukkan pada Gambar. 2d, yang masing-masing sesuai dengan C 1s dan O 1s. Spektrum C 1s resolusi tinggi menunjukkan dua puncak pada 284,8 dan 288,7 eV (Gbr. 2e). Puncak energi ikat pada 288,7 eV dianggap berasal dari ikatan C=C, dan puncak energi ikat pada 288,7 eV dikaitkan dengan ikatan O=C–O. Spektrum resolusi tinggi O 1s dari sampel (Gbr. 2f) menunjukkan puncak pada 531,8 eV, yang dikaitkan dengan grup C=O [34]. Analisis menunjukkan bahwa struktur dasar sampel GQD adalah unit aromatik, mirip dengan beberapa literatur sebelumnya [35].

a Gambar TEM (inset:distribusi ukuran GQD). b Gambar HRTEM dari GQD. c Spektrum UV-vis dan spektrum PL dari GQD (panjang gelombang eksitasi adalah 365 nm). d Spektrum survei XPS. e Spektrum XPS resolusi tinggi C 1s. f Spektrum XPS resolusi tinggi O 1

Untuk memeriksa lebih lanjut nanoarray heterojungsi yang didekorasi dengan GQD, gambar TEM dari nanorod GQD/ZnO yang representatif ditunjukkan pada Gambar. 3a, menunjukkan dekorasi GQD yang seragam pada nanorod ZnO. Sisipan pada Gbr. 3a sesuai dengan gambar HRTEM yang dilingkari oleh kotak hijau. Spektrum UV-DRS dari nanorod ZnO yang didekorasi dengan/tanpa GQD juga telah dibandingkan, ditunjukkan pada Gambar 3b. Perangkat menunjukkan penyerapan yang kuat di wilayah ultraviolet. Lebih lanjut, intensitas penyerapan cahaya dari susunan nanorod ZnO yang didekorasi dengan GQD ditingkatkan dengan faktor sekitar 20%, dibandingkan dengan nanorod ZnO telanjang. Penyerapan UV yang lebih tinggi dari nanorod ZnO yang diolah GQD membuat perangkat lebih cocok bila diterapkan dalam fotodetektor UV. Sementara itu, PMMA murni terutama menyerap cahaya dalam kisaran 300~350 nm, ditunjukkan pada Gambar. 3b. Dalam penelitian kami, sumber penyinaran sinar UV adalah 365 nm; dengan demikian, efek PMMA pada kinerja respons foto seluruh perangkat dapat diabaikan.

a Gambar TEM dari nanorod GQDs/ZnO representatif (sisipan:Gambar HRTEM dari lingkaran hijau di (a )). b Spektrum serapan UV-DRS dari nanorod GQDs/ZnO, nanorod ZnO telanjang, dan PMMA

Gambar 4a, b memplot kurva karakteristik I–V dari fotodetektor ZnO NRs/GaN UV yang didekorasi dengan dan tanpa GQD di bawah gelap (kepadatan daya = 0 mW/cm ² ) dan iluminasi UV (λ = 365 nm, kepadatan daya = 120 mW/cm ² ), masing-masing. Dalam gelap, kurva karakteristik I–V menunjukkan karakteristik penyearah yang khas dengan arus bocor yang sangat rendah, dan arus meningkat secara linier dengan tegangan yang diberikan yang ditunjukkan pada inset Gambar 4a, yang menandakan kontak Ohmik antara heterojungsi dan elektroda, sedangkan arus gelap sedikit meningkat dengan melapisi heterojunction dengan GQD. Ketika disinari di bawah sinar UV, arus foto dari fotodetektor yang didekorasi tanpa GQD hampir tetap sama. Namun, arus foto perangkat yang dilapisi dengan GQD meningkat secara dramatis dan mencapai nilai besar 0,4 mA pada bias yang diterapkan 1,5 V, yang lebih dari 40 kali lebih tinggi daripada arus gelap terkait.

a Kurva karakteristik I–V dari fotodetektor UV di bawah iradiasi gelap dan sinar UV yang dihiasi dengan/tanpa GQD (inset:kurva karakteristik I–V yang diperbesar dari fotodetektor UV). b Kurva karakteristik I–V disinari dengan sinar UV dengan kerapatan daya datang yang berbeda (mW/cm ² ). c Respons foto pada rapat daya cahaya insiden yang berbeda (mW/cm ² ). d Responsivitas (merah) dan deteksi (biru) masing-masing sebagai fungsi dari kerapatan daya cahaya datang

Selain itu, kami memeriksa respons foto dari fotodetektor UV ZnO/GaN di bawah iluminasi sinar UV 365 nm pada bias 10 V. Gambar 4c menampilkan dependensi waktu arus foto sehubungan dengan rapat daya datang sebesar 9,5, 10, 25, 50, 70, dan 100 mW/cm ² . Dapat ditemukan bahwa ketika rapat daya insiden adalah 9,5 mW/cm ² , arus cahaya perangkat tidak menunjukkan respons. Sementara itu, akurasi minimum lampu UV adalah 0,5 mW/cm ² . Oleh karena itu, kami dapat menyimpulkan bahwa intensitas cahaya minimum yang terdeteksi oleh perangkat adalah antara 9,5~10 mW/cm ² . Arus foto meningkat saat meningkatkan kerapatan daya cahaya dan berubah seketika sebagai respons terhadap siklus pengaktifan/penonaktifan sumber cahaya. Peralihan yang dapat dibalik dan direproduksi menunjukkan stabilitas perangkat yang baik. Selain itu, kinerja fotodetektor dapat diukur dengan responsivitas (R _λ ), didefinisikan sebagai [25],

\( {R}_{\lambda }=\frac{I_{\mathrm{ph}}}{P_{\mathrm{opt}}} \)

dimana Aku _ph adalah perbedaan antara arus yang diukur di bawah penerangan dengan cahaya dan dalam gelap, P _memilih adalah kekuatan insiden perangkat, dan λ adalah panjang gelombang cahaya eksitasi. Responsivitas yang dihitung dari perangkat di bawah kepadatan daya insiden 25, 50, 70, 100, dan 120 mW/cm ² masing-masing adalah 34, 21, 16,4, 13, dan 12,9 mA/W.

Gambar 4d menunjukkan responsivitas fotodetektor sebagai fungsi densitas daya insiden. Perangkat ini sangat sensitif terhadap penerangan sinar UV. Dengan bertambahnya daya iluminasi cahaya, maka pendeteksian dan responsivitas menurun dengan jelas, yang mungkin disebabkan oleh saturasi absorpsi ZnO atau penyaringan medan listrik bawaan oleh elektron terfotoeksitasi pada pita konduksi ZnO [36]. Dengan asumsi bahwa derau pendek dari arus gelap adalah sumber derau utama, deteksi spesifik (D*) dapat dinyatakan sebagai [37]:

\( {D}^{\ast }=\frac{R_{\lambda }}{{\left(2e\cdot {I}_{\mathrm{dark}}/S\right)}^{1/2 }} \)

dimana e adalah muatan elektron dan I _gelap adalah arus gelap. Dengan demikian, deteksi maksimum hingga 10 ¹² Jones telah dicapai, yang lebih tinggi dari fotodetektor berdasarkan sebagian besar fotodetektor ZnO [38, 39]. Penggunaan GQD sebagai penyerap cahaya dan donor elektron dapat dikaitkan dengan peningkatan konsentrasi pembawa di persimpangan heterogen, sehingga sangat meningkatkan responsivitas dan deteksi fotodetektor UV.

Untuk menguji laju respons dan stabilitas fotodetektor UV n-ZnO/n-GaN yang didekorasi dengan GQD, arus foto yang diselesaikan dengan waktu pada bias 10 V dengan beberapa siklus hidup/mati telah diukur. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, arus foto perangkat menunjukkan dua keadaan berbeda, keadaan arus rendah dalam gelap dan keadaan arus tinggi di bawah penerangan sinar UV 365 nm. Arus meningkat tajam dari satu keadaan ke keadaan lain, menunjukkan tingkat respons yang sangat cepat dari dua sampel. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b, arus foto yang diselesaikan dengan waktu mengungkapkan bahwa tingkat respons dari fotodetektor UV ZnO yang didekorasi dengan GQD lebih cepat daripada yang telanjang. Mengingat prosesnya, arus akan dengan cepat naik ke nilai jenuh pada penerangan UV. Waktu naik yang sesuai dengan fotodetektor heterojungsi yang didekorasi dengan dan tanpa GQD adalah ~ 100 md dan ~ 260 md. Saat lampu mati, arus foto segera turun ke nilai arus gelap setelah ~ 120 md dan ~ 250 md yang sesuai dengan fotodetektor UV ZnO NRs/GaN yang masing-masing didekorasi dengan dan tanpa GQD. Tingkat respons dalam penelitian kami sebanding atau bahkan lebih cepat daripada banyak hasil yang dilaporkan, yang ditunjukkan pada Tabel 1.

a Pengalihan hidup/mati yang dapat direproduksi dari perangkat yang didekorasi dengan/tanpa GQD pada penerangan cahaya 365 nm dengan siklus 20-d di bawah bias 10 V, masing-masing. b Bagian yang diperbesar dari transisi cahaya-mati ke cahaya-hidup dan transisi cahaya-ke-mati dengan/tanpa dekorasi GQD, masing-masing

Diagram skematik mekanisme respons foto untuk fotodetektor UV diilustrasikan dalam Skema 2. Oksigen permukaan pada nanorod ZnO merupakan faktor penting dalam memengaruhi respons foto yang diamati. Seperti yang ditunjukkan pada Skema 2a, proses penangkapan elektron terutama dimediasi oleh proses adsorpsi dan desorpsi oksigen pada permukaan ZnO NR dalam keadaan sekitar. Molekul oksigen yang diserap pertama-tama menangkap elektron bebas dari ZnO NR, yang mengarah ke pembentukan lapisan penipisan di dekat permukaan dan ion oksigen bermuatan (O₂ ⁻ ). Lapisan penipisan menurunkan konduktivitas ZnO NRs. Ketika ZnO NR disinari oleh sinar UV 365 nm dengan tingkat energi di atas atau dekat dengan celah pita ZnO, pasangan lubang elektron akan terbentuk. Setelah itu, sebagian besar lubang fotogenerasi dengan cepat terperangkap oleh ion oksigen (O₂ ⁻ ), mengakibatkan pelepasan ion oksigen dan desorbing oksigen dari permukaan ZnO. Proses pengambilan lubang dikaitkan dengan peningkatan konsentrasi pembawa bebas, menghasilkan peningkatan konduktivitas yang nyata. Ketika penyinaran UV dimatikan, lubang bergabung kembali dengan elektron, dan oksigen diserap kembali ke nanorod ZnO lagi. Mekanisme respons foto untuk fotodetektor UV n-ZnO/n-GaN yang didekorasi dengan GQD serupa, sementara lebih banyak elektron akan dihasilkan jika ZnO NR dilapisi dengan GQD.

a Diagram skematik fotodetektor ZnO NRs/GaN UV didekorasi tanpa dan dengan GQD. b Diagram pita energi komposit GQD-ZnO NRs dan mekanisme transport pembawanya di daerah antarmuka yang disinari oleh sinar UV

Skema 2b menampilkan diagram pita komposit GQDs-ZnO/GaN dan mekanisme pemisahan/transportasi pembawanya di wilayah antarmuka di bawah penyinaran UV. Celah pita ZnO sekitar 3,27 eV, dan pita konduksinya terletak pada 4,35 eV di bawah tingkat vakum [40]. Celah pita n-GaN sekitar 3,39 eV, dan pita konduksinya terletak pada 4,20 eV di bawah tingkat vakum [41]. Saat kedua semikonduktor dikontakkan, penghalang energi sebesar 0,15 eV muncul di antara dua pita konduksi (ΔE _c ). Posisi HOMO dan LUMO dari GQD diperoleh dari literatur di mana GQD disiapkan melalui metode yang sama [42]. Celah pita GQD adalah sekitar 1,5 eV dengan pita LUMO-nya 3.5~3.7 eV dan pita HOMO 5.1~5.4 eV versus tingkat vakum [43]. Level pita CB dari GaN dan GQDs lebih tinggi dari ZnO, sedangkan level pita VB ZnO lebih tinggi dari GaN dan GQDs. Oleh karena itu, ketika ZnO didekorasi dengan GQD yang disinari di bawah sinar UV, pita GaN dan GQD akan menekuk ke bawah dan pita ZnO akan menekuk ke atas di dekat antarmuka. Kemudian, elektron fotogenerasi pada pita konduksi GaN dan GQDs dapat ditransfer secara efisien ke pita konduksi ZnO. Dibandingkan dengan pembawa mayoritas, pergerakan lubang pada pita valensi n-GaN dan n-ZnO dapat diabaikan. Akibatnya, ada peningkatan signifikan elektron tidak berpasangan pada iluminasi UV yang dapat berkontribusi pada peningkatan injeksi pembawa dan transportasi dan dengan demikian secara dramatis meningkatkan arus foto. Selama proses ini, pemisahan yang cepat dari pasangan elektron-lubang fotogenerasi dan migrasi pembawa yang efisien bertanggung jawab atas kecepatan respons yang cepat.