Kontrol Fotokonduktivitas Positif dan Negatif pada Nanowire WO3 melalui Dinamika Ion H⁺ yang Diinduksi Adsorpsi Air

Abstrak

Dalam perangkat Au/WO₃/Au, fotokonduktivitas negatif (NPC) yang mencolok muncul di lingkungan lembap, yang dapat diatribusikan kepada akumulasi ion H⁺ di permukaan. Saat diiradiasi dengan cahaya violet 445-nm, lubang yang dihasilkan cahaya mengoksidasi H₂O yang teradsorpsi, menghasilkan H⁺ dan O₂. Elektron yang di-excite cahaya tidak memiliki energi yang cukup untuk mereduksi ion H⁺ ini, yang kemudian menangkap elektron mobile, meningkatkan rintangan Schottky dan mengurangi konduktansi. Dengan menyesuaikan kelembaban relatif (RH), intensitas cahaya, atau tegangan bias, konsentrasi dan distribusi ion H⁺ dapat dimodulasi, yang memungkinkan konversi yang dikontrol antara fotokonduktivitas positif (PPC) dan NPC, dan mengoptimalkan perilaku switching resistif.

Pendahuluan

Trioksida tungsten (WO₃) terkenal karena kemampuan foto-elektro-kromik dan switching resistifnya, berkat kerangka WO₆ oktahedral uniknya yang menampung spesies interstisial seperti H⁺ dan ion alkali, yang menyesuaikan warnanya dan konduktivitasnya dari regime isolator hingga logam. Minimum band konduksi terletak di bawah tingkat reduksi H⁺, sementara maksimum band valensi melebihi tingkat oksidasi H₂O, yang memungkinkan H₂O yang teradsorpsi permukaan foto-dioksidasi menjadi H⁺ dan O₂ oleh lubang, namun mencegah reduksi H⁺ yang dijalankan elektron. Dinamika antar-ion ini adalah pusat dari foto-kromisme WO₃ dan switching resistif di bawah kondisi ambien.

Nanowire WO₃ heksagonal tunggal kristal (h-WO₃ NWs) menawarkan luas permukaan yang sangat besar dan saluran konduktif yang didefinisikan dengan baik, menjadikannya ideal untuk menyelidiki perilaku ion H⁺. Pekerjaan sebelumnya telah menunjukkan efek memristor dalam nanowire ini, yang ditingkatkan secara signifikan oleh ion H⁺ yang dihasilkan dari H₂O yang teradsorpsi. Di sini, kami secara sistematik memeriksa fotokonduktivitas h-WO₃ NWs di bawah berbagai RH, mengungkapkan fenomena PPC dan NPC simultan yang dapat diarahkan oleh kelembaban, illuminasi, dan bias.

Metode

Sintesis Nanowire WO₃

Nanowire WO₃ heksagonal disintesis melalui rute hidrotermal. Singkatnya, 8,25 g Na₂WO₄·2H₂O dicairkan dalam 250 mL air DI; pH disesuaikan menjadi 1,2 dengan 3 M HCl. Setelah difilter dan dicuci dengan air dan etanol, endapan disperdi dalam 200 mL asam sitrat 0,1 M untuk membentuk sol WO₃ translusen. 45 mL sol ini, yang ditambahkan dengan 1,3 g K₂SO₄, dikunci dalam autoklav 50 mL dan dipanaskan pada 240 °C selama 32 jam, kemudian dinginkan, difilter, dicuci, dan dikeringkan pada 60 °C.

Pembuatan Perangkat

Perangkat dibuat pada substrat Si/SiO₂ yang sangat n-dop (100 nm). Nanowire h-WO₃ individual ditempatkan antara elektroda Au yang dibuat pola melalui litografi cahaya standar dan depoersi Au 100-nm, diikuti oleh pelepasan.

Pengukuran Listrik

Pengukuran transport dilakukan pada suhu kamar dalam ruang vakum kustom (tekanan dasar <10⁻¹ Pa). RH dikontrol dengan menghangatkan/menghangatkan ulang air DI, dengan akurasi sensor ±1 %. Data arus–waktu (I-T) dan arus–tegangan (I-V) direkam menggunakan sistem Keithley 2602.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 mengilustrasikan kurva I-T tipikal dari perangkat Au/h-WO₃/Au di bawah illuminasi 445-nm, 500 mW pada berbagai tingkat RH. Pada 40 % RH (Gambar 1a), illuminasi menyebabkan peningkatan arus yang modest (PPC), yang konsisten dengan transisi band-ke-band. Peningkatan RH ke 50 % (Gambar 1b) memperkenalkan penurunan tertunda dalam fotolistrik—sinyal NPC. Pada 60–70 % RH (Gambar 1c,d), NPC menjadi kuat dan stabil. Arus gelap tetap ~80 nA di seluruh RH, yang menunjukkan bahwa NPC bukan konsekuensi trivial dari desorpsi H₂O tetapi timbul dari akumulasi ion H⁺.

Untuk menelusuri mekanisme konduksi, saringan I-V diubah menjadi plot I-T dan dianalisis melalui hukum Schottky (ln I ∝ V^1/2). Di bawah illuminasi pada 70 % RH, tinggi rintangan Schottyang yang diekstraksi meningkat relatif terhadap gelap, mengonfirmasi bahwa NPC berasal dari kenaikan rintangan yang diinduksi cahaya.

Mekanisme yang mendasarinya dapat diringkas sebagai berikut: pada RH tinggi, foto-oksidasi berkelanjutan dari H₂O yang teradsorpsi menghasilkan ion H⁺ yang menumpuk di permukaan WO₃. Ion ini menangkap elektron konduksi, membentuk lapisan ganda listrik yang menyedot pembawa dan meningkatkan rintangan antarmuka, sehingga mengurangi konduktansi (NPC). Pada RH rendah (<50 %), lapisan H₂O yang tidak mencukupi membatasi produksi H⁺, sehingga PPC mendominasi.

Pengukuran I-T bergantung pada daya (Gambar 3) lebih mendukung model ini. Pada 200 mW, PPC mendominasi; seiring daya naik ke 300–500 mW, NPC muncul setelah fase PPC singkat, dengan transisi yang terjadi lebih cepat pada intensitas yang lebih tinggi. Pada 600 mW, fotolistrik fluktuasi karena persaingan antara produksi H⁺ dan reduksi oleh elektron panas. Observasi ini mengilustrasikan bahwa produksi ion H⁺ dikendalikan oleh efisiensi transisi antar-band, yang bermetre dengan intensitas cahaya.

Ketergantungan tegangan bias (Gambar 4) menunjukkan bahwa pada 50 % RH, NPC paling stabil pada 2 V tetapi menjadi semakin tidak teratur pada bias yang lebih tinggi. Diagram band (Gambar 4d) menjelaskan ini: bias yang lebih tinggi menurunkan rintangan untuk elektron panas untuk mereduksi ion H⁺ di dekat elektroda yang bias negatif, yang mengarah pada akumulasi H⁺ yang osilasi dan fluktuasi konduktansi.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa perangkat nanowire Au/h-WO₃/Au menunjukkan NPC yang dapat dikontrol di bawah kondisi lembap, illuminasi sedang, dan bias rendah, yang didorong oleh akumulasi ion H⁺ di permukaan yang meningkatkan rintangan Schottky. Dengan menyesuaikan RH, intensitas cahaya, dan bias secara presisi, seseorang dapat memodulasi distribusi ion H⁺, yang memungkinkan switching dinamis antara PPC dan NPC dan mengoptimalkan performa switching resistif. Wawasan ini memajukan pemahaman dasar tentang fotokonduktivitas yang diwartakan ion dalam WO₃ dan membuka jalan untuk aplikasi optoelektronik dan memori yang sensitif terhadap kelembaban.