Dengan munculnya teknologi perangkat yang dapat dikenakan, fabrikasi perangkat semikonduktor anorganik pada substrat organik fleksibel menjadi sangat menarik. Dalam makalah ini, metode menarik dan bahan substrat fleksibel polivinil alkohol (PVAL) berbiaya rendah telah digunakan untuk menyematkan susunan kawat mikro ZnO (MW) untuk menghasilkan fotodetektor (PD) ultraviolet (UV) dengan fotoresponsivitas yang layak. Substrat PVAL fleksibel relatif murah dan memiliki kelenturan yang lebih baik dibandingkan dengan polietilen tereftalat (PET) dan bahan substrat fleksibel tradisional lainnya, yang membuatnya unik dibandingkan dengan perangkat tradisional. Perangkat menunjukkan fotoresponsivitas saat ini sebesar 29,6 A/W dalam rentang spektrum UV (350 hingga 380 nm) dan mempertahankan kinerja deteksi yang sangat baik bahkan dengan sudut tekuk 180°. Dalam gelap, arus rendah 1,4 μA pada bias 5 V dan waktu respons 4,27 md diamati. Selain kinerja perangkat yang sangat baik pada sudut tekuk lebar, perangkat fabrikasi juga berkinerja baik dengan radius tekukan mendekati 0. Oleh karena itu, PD susunan ZnO MW memiliki potensi besar untuk pemantauan waktu nyata dari paparan sinar UV yang berbahaya untuk memperingatkan pengguna untuk menghindari pengaturan yang sesuai.
Latar Belakang
Deteksi sinar ultraviolet (UV) penting dalam bidang-bidang seperti astronomi, pemantauan lingkungan, dan dalam banyak proses biologis [1]. Paparan sinar UV menyebabkan mutasi pada gen supresor tumor p53 yang menyebabkan kanker kulit [2]. Oleh karena itu, untuk mencegah efek merugikan dari sinar matahari pada kesehatan manusia, pemantauan yang tepat dari radiasi ini sangat penting. Selain itu, lebih tepat untuk memantau paparan sinar UV individu karena jumlah paparan sinar matahari bervariasi dari orang ke orang [3]. Dengan munculnya teknologi yang dapat dipakai, pengguna sekarang dapat memantau paparan sinar UV secara real time dan mereka juga dapat menerima peringatan mengenai kondisi radiasi di sekitarnya dan parameter biometriknya [4]. Oleh karena itu, perangkat wearable dengan UV PD fleksibel yang dapat menghasilkan deteksi yang efisien dalam kondisi lentur (diperlukan untuk melakukan aktivitas harian pengguna) sangat penting untuk memantau paparan UV individu.
ZnO, semikonduktor celah langsung II–IV yang khas, memiliki celah pita lebar (3,37 eV pada 300 K) dan energi ikat eksitasi yang besar (60 meV). Ini adalah salah satu bahan yang paling kompatibel untuk aplikasi fotonik seperti fotodetektor UV dan dioda pemancar cahaya (LED) [1, 5]. Struktur kristal dominan ZnO adalah wurtzite heksagonal dengan sudut kutub spontan di sepanjang sumbu c, yang telah diamati di berbagai struktur nano ZnO seperti film tipis [6, 7], nanorods [8, 9], kawat nano [10, 11] , nano tetrapoda [12, 13], nanobelts [14, 15], dan nanocomb [16, 17]. Pola dan keselarasan struktur nano ini sangat penting untuk fabrikasi perangkat [18]. Untuk menyelaraskan nanorods dan nanowires, beberapa metode seperti horizontal manual alignment [19, 20], dielektroforesis [21, 22], dan self-alignment [23] telah dieksplorasi. Terlepas dari sifat khas dari struktur nano ini, produksi skala besar perangkat ini terbatas karena satu per satu proses manufaktur. Pertumbuhan film ZnO dengan menggunakan metode yang murah dan sederhana telah menarik minat banyak peneliti [24]. Biasanya, struktur nano ZnO dibuat dengan metode deposisi uap kimia dan fisik. Banyak teknik canggih seperti deposisi uap kimia (CVD) [25], deposisi uap kimia organik logam (MOCVD) [26, 27], deposisi laser berdenyut (PLD) [28, 29], radio-frequency magnetron sputtering (RFMS) [ 30, 31], dan evaporasi berkas elektron (EBE) [32, 33] telah digunakan untuk menumbuhkan film ZnO. Metode kimia basah seperti deposisi Sol-gel juga telah digunakan dengan beberapa metode pengecoran seperti dip [34], spin [35], dan spray coating untuk menumbuhkan ZnO. Sol-gel adalah metode yang murah dan sederhana untuk produksi skala besar dan roll to roll. Semua metode yang dibahas menyediakan film ZnO dengan luas permukaan yang besar yang membutuhkan pola lebih lanjut untuk memenuhi persyaratan desain perangkat. Untuk pola perangkat ini, proses lambat seperti fotolitografi digunakan [36]. Selain itu, konstituen etsa yang digunakan untuk pola tidak kompatibel dengan substrat fleksibel dalam beberapa kasus [37].
Pendekatan manufaktur lainnya juga telah digunakan untuk menyiapkan bentuk pola ZnO sesuai permintaan. Beberapa pendekatan baru telah terbukti terbatas dalam hal biaya perangkat dan kinerja [26, 32]. ZnO polikristalin dengan sejumlah besar batas butir yang dibuat dengan electrospinning ditemukan secara efektif mengurangi arus gelap dan secara signifikan meningkatkan fotoresponsivitas. Secara umum, ada dua jenis PD:PD fotovoltaik dan PD none-junction/metal-semiconductor-metal (MSM) [19]. PD fotovoltaik memiliki dua jenis:sambungan Schottky dan P-N/PIN [38], sedangkan PD MSM memiliki struktur dan proses fabrikasi yang jauh lebih sederhana dibandingkan dengan PD fotovoltaik. Oleh karena itu, PD MSM lebih disukai dalam aplikasi praktis dan bermanfaat untuk menyelidiki faktor-faktor yang meningkatkan kinerja detektor ini [39].
Pemilihan substrat fleksibel ZnO UV PD juga penting untuk kinerja perangkat. Menurut berbagai struktur nano, bentuk dan ukuran, dan metode sintesis, ZnO telah disintesis pada substrat yang beragam dalam literatur. Polyethylene terephthalate (PET) dan poly urethane (PU) sering digunakan untuk perangkat ZnO UV yang fleksibel. Zhang dkk. membuat ZnO UV PD berdasarkan serat PU fleksibel; namun, perangkat memiliki kinerja yang lebih buruk dari arus foto rendah yang dikaitkan dengan permukaan kasar serat PU tenunan [40]. Dalam beberapa ZnO nanowire UV PD, ZnO nanowire perlu disintesis langsung pada substrat dalam tungku dengan suhu yang sangat tinggi. Tetapi hampir setiap substrat fleksibel organik tidak dapat menahan suhu tinggi sendiri hingga titik leleh rendah. Hasilnya, struktur perangkat yang wajar dan pemilihan bahan substrat fleksibel menghasilkan kinerja ZnO UV PD yang fleksibel.
Dalam penelitian ini, susunan ZnO MW yang tertanam dalam substrat PVAL lunak telah terbukti sebagai PD UV yang efektif. Kami menggunakan lem PVAL cair untuk menutupi sebagian besar susunan ZnO MW kecuali permukaan struktur heksahedron dari ZnO MW. Lem PVAL kemudian dikeringkan, dan elektroda interdigital Au diendapkan. Perangkat PD ini memiliki fleksibilitas dan kekuatan tekuk yang sangat baik, yang dibuktikan dengan kemampuannya untuk bekerja di bawah sudut tekuk yang besar dan jari-jari tekuk untuk beberapa siklus. Perangkat PD ini ternyata memiliki waktu respons cepat 4,27 md dan fotoresponsivitas tinggi 29,6 A/W. Oleh karena itu, ini adalah kandidat yang sangat baik untuk perangkat wearable untuk memantau paparan UV guna mengurangi kemungkinan bahaya kesehatan.
Metode/Eksperimental
Skema PD UV array ZnO MW disajikan pada Gambar 1a. Diameter MW adalah 40–50 μm. MW ditumbuhkan dengan teknik deposisi uap kimia (CVD). 99,99% serbuk Zn disinter ke 980 °C selama 1 jam dan diubah menjadi gas Zn dalam N2 ambient, memperkenalkan O2 dan tetap pada 980 °C selama 1 jam, dan didinginkan hingga suhu kamar dan mendapat ZnO MWs; lebih detail percobaan dapat diambil dalam pekerjaan kami sebelumnya [41]. Susunan ZnO MW dengan diameter besar (40–50 μm) dan panjang (3–5 mm) telah digunakan pada Gambar 1b untuk penelitian ini. Substrat kaca dicuci dengan aseton, etanol, dan air deionisasi berturut-turut. Array ZnO MW kemudian dipindahkan ke substrat kaca dan dipaksa untuk beradaptasi dengan permukaan substrat kaca. Lem PVAL kemudian ditambahkan tetes demi tetes (1 ml) pada susunan ZnO MW secara merata. Substrat dengan susunan ZnO MW kemudian disimpan ke dalam oven pengering (60 °C) selama 1 jam. Struktur susunan ZnO MW kemudian dikupas dari substrat kaca. Elektroda interdigital Au dengan lima pasang jari elektroda (celah antara elektroda yang berdekatan adalah 100 μm, panjang jari adalah 200 μm) kemudian diendapkan pada susunan ZnO MW dan substrat PVAL untuk menyelesaikan fabrikasi perangkat. Gambar 2 dapat menjelaskan pembuatan perangkat fotodetektor ini secara singkat. Konfigurasi ini melindungi susunan ZnO MW karena tertanam dalam substrat PVAL yang fleksibel. Hanya permukaan MW ini yang terpapar untuk melakukan kontak dengan elektroda interdigital Au.
a Skema perangkat UV PD array ZnO MW. b Mikrograf SEM dari ZnO MWs yang disintesis. c Pola XRD sampel ZnO MW pada substrat safir. d Spektrum penyerapan ZnO MWs
Skema pembuatan fotodetektor
Morfologi dan struktur ZnO MWs dikarakterisasi dengan mikroskop elektron scanning (SEM, ZEISS Gemini 500), mikroskop optik, dan difraktometer sinar-X (XRD, BRUKER D8 ADVANCE Germany). Spektrum absorpsi diperoleh dengan menggunakan laser He−Cd (325 nm) sebagai sumber eksitasi. Sifat elektrik dan fotorespons suhu ruangan dari perangkat buatan diukur dengan sistem karakterisasi semikonduktor (Agilent B2901A).
Hasil dan Diskusi
Gambar 1b mewakili gambar SEM khas dari MW yang disintesis. MW ditemukan memiliki diameter 40–50 m dan panjang beberapa milimeter. Pola XRD dari ZnO MW pada Gambar 1c menunjukkan struktur wurtzite; tidak ada fase sekunder yang terdeteksi dalam pola XRD [42]. Spektrum absorpsi dari ZnO MW yang disiapkan digambarkan pada Gambar 1d yang menunjukkan kristalinitas yang baik dengan defisiensi yang rendah [43].
Gambar 3 menunjukkan PD array ZnO MW fabrikasi tanpa tekukan (Gbr. 3a), tekuk 90° (Gbr. 3b), dan tekuk 180° (Gbr. 3c). Gambar 4 menunjukkan karakteristik I–V perangkat PD array ZnO MW dengan dan tanpa penerangan sinar UV, pembengkokan 90°, dan pembengkokan 180°. Perilaku linier menunjukkan kontak ohmik karena fungsi kerja ZnO (4,5 eV) yang lebih rendah dibandingkan dengan Au (5,1 eV) [44], sehingga menyebabkan distorsi pita dan pembentukan daerah penipisan yang berdekatan dengan antarmuka. Setelah persimpangan disinari oleh sinar UV (380 nm), elektron dan lubang yang dihasilkan di dalam daerah penipisan, segera bergerak ke arah yang berlawanan dengan potensi built-in yang menimbulkan pembangkitan arus rangkaian. Arus meningkat secara dramatis, yang menggambarkan bahwa PD fleksibel memiliki sensitivitas tinggi. PD UV fleksibel biasanya memiliki arus foto yang lebih rendah dibandingkan dengan PD tradisional berdasarkan Si/SiO2 substrat karena kontak yang buruk antara bahan dan substrat fleksibel. Namun pada penelitian ini, susunan ZnO MW yang tertanam memiliki kontak yang sangat baik dengan substrat PAVL yang ditunjukkan dari sensitivitas yang tinggi. Tingkat energi Fermi dalam ZnO lebih tinggi daripada Au. Oleh karena itu, elektron akan berdifusi dari sisi ZnO ke Au dan penghalang potensial akan terbentuk yang akan menentang aliran elektron lebih lanjut melintasi persimpangan Schottky. Ketika regangan eksternal diterapkan, itu menciptakan piezopotensial negatif pada antarmuka persimpangan Schottkey yang memaksa elektron untuk menjauh dari antarmuka. Tolakan elektron dari antarmuka selanjutnya akan menghabiskan antarmuka dan meningkatkan ketinggian penghalang potensial. Meskipun peningkatan tinggi dan lebar penghalang cocok untuk ekstraksi dan pemisahan fotoeksitasi, itu akan mengubah perilaku transportasi karena efek piezoresistansi. Namun, perubahan perilaku transportasi adalah efek simetris yang hanya mengubah resistivitas semikonduktor bukan sifat antarmuka. Pada penelitian ini, proses transpor muatan akibat variasi arus yang tidak simetris pada bias negatif dan positif didominasi oleh efek piezoelektrik. Oleh karena itu, arus foto berkurang dengan meningkatnya sudut lentur.
Skema PD array ZnO MW bila terdapat a tidak membungkuk, b tekukan 90°, dan c 180° membungkuk
Karakteristik I–V dalam gelap dan di bawah iluminasi UV pada sudut tekuk yang berbeda. Sisipan (kiri) menunjukkan pembengkokan muatan ion tidak bergerak yang diinduksi regangan pada permukaan luar (positif) dan bagian dalam (negatif) ZnO MW, dan sisipan (kanan) menunjukkan medan listrik yang diinduksi piezo dan distribusi piezopotensial di salib -bagian dari ZnO MW yang bengkok
Wang dkk. telah membahas efek efek piezoelektrik pada sifat transpor elektronik kawat nano ZnO (NWs) [45]. Pengisian positif dan negatif dari permukaan luar yang teregang (regangan positif) dan terkompresi dalam (regangan negatif), masing-masing, dalam ZnO NW yang bengkok ditetapkan sebagai alasan perubahan karakteristik IV (Gbr. 4 inset). Induksi muatan ion statis ini terjadi karena efek piezoelektrik. Medan piezoelektrik di sepanjang NW diberikan oleh E = ɛ /d , di mana ɛ dan d adalah regangan dan koefisien piezoelektrik, masing-masing. Dua mekanisme didalilkan untuk menggambarkan pengurangan konduktansi NW:(i) densitas pembawa efektif ZnO NW lebih rendah sebagai perangkap elektron bebas di busur dalam dan ion pada permukaan busur luar NW bengkok; (ii) pengurangan lebar saluran konduksi karena tolakan elektron melintasi lebar, oleh medan piezoelektrik yang diinduksi.
Dalam pekerjaan kami, lapisan lunak PVAL dalam perangkat UV PD susunan MW ini memainkan peran penting dalam transportasi elektronik. Perangkap elektron pada status antarmuka membangun daerah penipisan di dalam MW yang mengakibatkan penurunan luas saluran efektif dan menciptakan penghalang potensial permukaan s antara MW dan dielektrik PVAL. Ketika perangkat ZnO MW UV PD dibengkokkan, perangkap elektron pada keadaan antarmuka dipengaruhi oleh permukaan bermuatan berbeda yang diinduksi oleh efek piezoelektrik, menghasilkan perubahan karakteristik transpor.
Pada PD UV ZnO MW yang tidak dibengkokkan, penjeratan elektron menghasilkan s dan pita menekuk ke atas. Ketika gaya eksternal diterapkan untuk menekuk PD susunan ZnO MW, regangan yang diterapkan juga menekuk ZnO MW. Pembengkokan MW menginduksi potensial piezoelektrik PZ karena pergerakan Zn
2+
ion menjauh dari O
2−
ion. Potensi efektif pada antarmuka bervariasi karena efek PZ di s dengan mengubah sifat transpor elektronik ZnO MW array PD karena variasi dalam perangkap elektron. Muatan negatif muncul di sisi terkompresi ZnO MW yang mengurangi perangkap elektron karena tolakan di sisi ini. Sedangkan sisi ZnO MW yang teregang memiliki muatan positif yang meningkatkan penangkapan elektron bebas.
Pergeseran merah pada panjang gelombang fotorespons (Gbr. 5) diamati dengan mengurangi sudut tekuk. Simulasi DFT prinsip pertama telah dilakukan pada ZnO MWs di bawah regangan tarik dan tekan murni untuk mengevaluasi perubahan yang disebabkan oleh regangan pada celah pita [46]. Untuk simulasi ini, MW ZnO diregangkan secara aksial. Semua optimasi struktural dan perhitungan energi dilakukan berdasarkan potensi semu dengan himpunan basis orbital atom lokal dalam pendekatan gradien umum Perdew-Burke-Ernzerhof yang diimplementasikan dalam kode SIESTA [47, 48].
Panjang gelombang fotorespons dari ZnO MW array PD pada sudut lengkung yang berbeda (0°, 90°, dan 180°)
Untuk mendapatkan hubungan antara sudut lentur dan celah pita, celah pita pada sudut lentur yang berbeda diukur; data ditunjukkan pada Gambar. 6. Celah pita juga dapat dihitung sebagai fungsi dalam kerangka teori fungsi selubung massa efektif enam pita [49]. Penurunan yang signifikan dalam celah pita diamati dengan penurunan sudut lentur. Celah pita berkurang dari 3,37 eV (massal) menjadi 3,29 eV karena peningkatan sudut tekuk masing-masing dari 0° menjadi 180°, yang sesuai dengan teori fungsi selubung massa efektif enam pita.
Celah pita ZnO MW pada sudut tekuk yang berbeda
Celah pita dan resistansi dari ZnO MW ini diubah dengan pembengkokan bersama dengan arus foto dan fotoresponsivitas dari array ZnO MW UV PD juga berubah. Gambar 7 menunjukkan fotoresponsivitas spektral PD UV array ZnO MW pada sudut tekuk yang berbeda. Jelas bahwa fotoresponsivitas berkurang dengan meningkatnya sudut tekuk. Fotoresponsivitas diukur menjadi 29.6A/W, 17.1A/W, dan 0.95A/W untuk sudut lentur masing-masing 0 °, 90 °, dan 180 °. Meskipun, tegangan eksternal mengurangi fotoresponsivitas ZnO MW array UV PD, tetapi bahkan pada sudut tekuk 180°, ia masih responsif terhadap radiasi UV. Selanjutnya, fotoresponsivitas perangkat UV PD array ZnO MW dipulihkan pada perangkat yang tidak ditekuk.
Ketergantungan spektral dari fotoresponsivitas ZnO MW array UV PD pada daya datang 1 μW dengan bias 5 V pada sudut tekuk yang berbeda (0°, 90°, dan 180°)
Gambar 8 menyajikan ketergantungan waktu peluruhan pada sudut tekuk untuk perangkat PD array ZnO MW. 266 nm Nd:YAG laser berdenyut digunakan untuk menerangi perangkat PD selama 30 ns (lebar pulsa) dan bias 10 V diterapkan. Pengurangan waktu peluruhan dengan peningkatan sudut lentur diperhatikan. Nilai waktu peluruhan yang sesuai ditemukan adalah 6,18 md, 6,02 md, dan 4,27 md untuk sudut lengkung masing-masing 0°, 90°, dan 180°. Waktu naik ditemukan 4,08 s yang dibatasi oleh lebar pulsa (inset pada Gbr. 8). Pengurangan waktu peluruhan dapat dijelaskan dengan mempertimbangkan diagram pita dari MW ini untuk kasus yang tidak bengkok dan bengkok. Lapisan penipisan ruang-charge ada di permukaan ZnO MWs tipe-n ini, dan pin tingkat energi fermi antara celah terlarang di permukaan [50, 51]. Lebar lapisan deplesi tergantung pada ketebalan MW dan atmosfernya serta tingkat doping yang dapat dikontrol dengan memanipulasi faktor-faktor ini. Dalam ZnO MW yang tidak ditekuk, tepi pita konduksi (Ec ) dan tepi pita valensi (Ev ) menekuk ke atas di dekat permukaan MW dan wilayah penipisan muatan ruang meluas hingga Ec dan Ev pita, seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 9. Oleh karena itu, lubang yang terfotoeksitasi bermigrasi ke permukaan dan elektron lebih suka tinggal di bagian dalam MW. Rasio permukaan terhadap volume yang tinggi dari MW memainkan peran penting dalam perangkap lubang yang mudah di permukaan. Perangkap pembawa dalam perangkap permukaan adalah mekanisme rekombinasi yang dominan [52]. Pemisahan antara elektron dan hole yang terfotoeksitasi mengurangi rekombinasi pembawa non-ekuilibrium. Oleh karena itu, untuk bergabung kembali dengan lubang di permukaan, elektron harus melewati penghalang potensial i (Gbr. 9a). Ketika rekombinasi permukaan mengontrol waktu peluruhan dari arus foto persisten, laju rekombinasi diberikan oleh exp(−ɸi /kT ) [52].
Waktu responsif perangkat UV PD array ZnO MW untuk iluminasi laser berdenyut 266 nm selama 30 ns pada frekuensi 50 Hz di bawah bias 10 V pada sudut tekuk yang berbeda (0°, 90°, dan 180°)
a Diagram pita untuk MW yang tidak ditekuk:tepi pita konduksi dan valensi ditekuk di dekat permukaan karena penjepitan permukaan tingkat Fermi. Penghalang rekombinasi permukaan intrinsik ɸi juga ditampilkan. b Kasus untuk MW bengkok:medan listrik yang diinduksi piezo menurunkan penghalang rekombinasi permukaan dari ɸi untuk ɸb
Untuk kasus lentur, medan piezoelektrik yang diinduksi memodifikasi pita energi. Pada permukaan MW yang bermuatan negatif, Ev bergerak menuju saat Ec menjauh dari tingkat Fermi. Padahal, di dekat permukaan bermuatan positif, keduanya Ev dan Ec bergerak lebih dekat ke tingkat Fermi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9b. Penghalang rekombinasi intrinsik i (Gbr. 9a) untuk casing yang tidak tertekuk lebih tinggi dari penghalang potensial b untuk kasus lentur (Gbr. 9b). Oleh karena itu, tingkat rekombinasi meningkat karena pengurangan b pada saat membungkuk. Waktu peluruhan untuk kotak lentur juga menjadi lebih pendek karena bergantung pada penghalang rekombinasi.
Kesimpulan
Dalam karya ini, fabrikasi PD UV fleksibel susunan ZnO MW yang tertanam dalam substrat lunak PVAL ditunjukkan. Prosesnya mudah dan murah. Kontak ohmik yang baik dibuat antara elektroda Au dan susunan ZnO MW yang tertanam. Waktu respons tertinggi ditemukan pada 4,27 md dan fotoresponsivitas menjadi 29,6 A/W untuk perangkat fabrikasi. Degradasi perangkat diamati di bawah sudut tekuk besar dan jari-jari tekuk, tetapi kinerja deteksi UV tidak terpengaruh secara signifikan. Pengaruh jari-jari lentur pada kinerja perangkat juga dipelajari. Hasilnya menunjukkan bahwa perangkat ini kompatibel untuk PD UV pemantauan in situ yang dapat dipakai. Proses ini juga menunjukkan potensi perangkat lain yang membutuhkan fleksibilitas, seperti transistor ukuran kecil dan sel surya untuk perangkat wearable. Selain itu, kesederhanaan proses fabrikasi mungkin mendukung gagasan untuk perangkat yang dibuat khusus atau fabrikasi in situ.
