Nanofilms Bi₂O₂Se Hasilkan Fotodeteksi Infrarot Dekat yang Luar Biasa: Responsivitas 101 A/W, Respons 30 ms, Efisiensi Kuantum 20.300 %

Abstrak

Properti fotoelektrik nanofilms Bi₂O₂Se multilayer secara sistematis diteliti dalam paper ini. Nanofilms Bi₂O₂Se multilayer menunjukkan respons foto yang sensitif terhadap infrarot dekat (NIR), termasuk responsivitas foto tinggi (~ 101 A/W), waktu respons cepat (~ 30 ms), efisiensi kuantum eksternal tinggi (~ 20.300%), dan laju deteksi tinggi (1,9 × 10¹⁰ Jones). Hasil ini menunjukkan bahwa perangkat berdasarkan nanofilms Bi₂O₂Se multilayer memiliki potensi besar untuk aplikasi masa depan dalam perangkat optoelektronik NIR yang sangat cepat dan sensitif.

Latar Belakang

Fotodetektor inframerah (IR) telah banyak diteliti dan dipelajari sejak aplikasi canggihnya di domain militer, komersial, publik, dan akademis [1,2,3]. Dalam dekade terakhir, material dua dimensi (2D), misalnya grafen, kalkogenida logam transisi (TMDs), dan fosfor hitam, telah tumbuh sebagai kandidat yang menjanjikan dengan potensi besar untuk aplikasi inframerah [4,5,6,7,8,9]. Karena properti menarik material 2D, termasuk ketebalan ultra tipis, fleksibilitas mekanis tinggi, jarak bandgap yang sesuai dan dapat disesuaikan, karakteristik optoelektronik ultra cepat, dan struktur heterovan der Waals yang mudah disesuaikan, material berlapis 2D dianggap media IR yang kompetitif untuk fotodetektor generasi berikutnya [10,11,12].

Baru-baru ini, oksiselenida bismuth berlapis (Bi₂O₂Se) ditemukan sebagai semikonduktor 2D yang menjanjikan dengan mobilitas elektron tinggi, respons foto ultra cepat, stabilitas lingkungan yang luar biasa, dan aksesibilitas produksi skala besar melalui metode deposit uap kimia (CVD) yang mudah, membuatnya menarik untuk aplikasi elektronik dan optoelektronik [7, 8, 13,14,15]. Sebelumnya, He Jun et al. [7] dan Peng Hailin et al. [8] secara berturut-turut melaporkan bahwa Bi₂O₂Se memiliki properti fotoelektrik yang luar biasa untuk infrarot dekat (NIR). Namun, mereka terutama berkonsentrasi pada Bi₂O₂Se tipis lapisan (tebal ~ 7 nm). Studi sebelumnya terkait dengan material 2D lainnya, seperti MoS₂ [16] dan MoSe₂ [17, 18], menunjukkan nanoflakes berlapis juga memiliki performa fotoelektrik luar biasa dibandingkan monolayer atau tipis lapisan. Faktanya, Bi₂O₂Se berlapis mungkin lebih menarik dibandingkan Bi₂O₂Se tipis lapisan untuk aplikasi FET dalam konfigurasi transistor tipis lapisan (TFT) [16, 19]. Misalnya, kepadatan status dalam Bi₂O₂Se berlapis jauh lebih tinggi dibandingkan Bi₂O₂Se tipis lapisan, yang dapat menghasilkan arus drive yang sangat tinggi dalam batas balistik [13, 14]. Dalam TFT saluran panjang, banyak saluran konduksi dapat dibuat oleh efek medan dalam Bi₂O₂Se berlapis, yang dapat meningkatkan arus drive TFT, mirip dengan MOSFET silicon-on-insulator [19]. Selain itu, Bi₂O₂Se berlapis menawarkan spektrum respons yang lebih lebar dibandingkan Bi₂O₂Se tipis lapisan, karena jarak bandgapnya lebih sempit, yang dapat menguntungkan dalam berbagai aplikasi fotodetektor [20]. Namun, fotodetektor berbasis Bi₂O₂Se berlapis belum banyak diteliti untuk digunakan dalam elektronik atau optoelektronik.

Oleh karena itu, properti fotoelektrik NIR Bi₂O₂Se berlapis (tebal ~ 30 nm) secara sistematis diteliti dalam paper ini. Fotodetektor berbasis Bi₂O₂Se berlapis menunjukkan respons foto ultra sensitif dari 850 hingga 1550 nm dengan reproduktibilitas yang baik pada suhu kamar. Responsivitas fotonya mencapai 101 A/W pada 1000 nm, dengan waktu naik dan waktu penyusutan masing-masing 30 ms dan 60 ms. Dibandingkan Bi₂O₂Se tipis lapisan, Bi₂O₂Se berlapis memiliki responsivitas foto dan efisiensi kuantum eksternal yang lebih tinggi, sambil tetap menjaga waktu respons yang relatif cepat dan laju deteksi yang tinggi. Selainnya, arus foto menunjukkan ketergantungan linier pada daya insiden, yang menawarkan kemampuan pengaturan yang baik untuk aplikasi multi-tujuan. Hasil ini menawarkan peluang untuk mengembangkan fotodetektor NIR suhu kamar generasi berikutnya yang ultra sensitif dan berperforma tinggi.

Metode

Pertumbuhan dan Karakterisasi Bi₂O₂Se

Nanofilms Bi₂O₂Se disintesis melalui metode deposit uap kimia (CVD). Bi₂O₃ dan Bi₂Se₃ (Alfa Aesar) ditempatkan di tengah tungku tabung horizontal (Lindberg/Blue M), dan substrat mica (Tiancheng Fluorphlogopite Mica Company Ltd., China) ditempatkan di aliran bawah sebagai substrat. Tungku pertama dipanaskan hingga 640 °C dengan laju kenaikan 30 °C min⁻¹ dan dipertahankan selama 60 menit dengan aliran gas argon. Akhirnya tungku didinginkan secara alami ke suhu kamar. Sampel yang disintesis dikarakterisir dengan mikroskop optik (Olympus BX51), spektrum Raman (WiTec 300R), mikroskop gaya atom (mode semi-kontak, NT-MDT company) mikroskop elektron pemindai (FEI company). Di sini, 10 nm aluminium pertama kali dievaporasi termal untuk menghindari efek muatan substrat mica sebelum karakterisasi SEM.

Pembuatan Perangkat

Fotodetektor berdasarkan Bi₂O₂Se multilayer dibuat dengan teknologi mikro-nano standar. Kontak sumber dan saluran didefinisikan oleh litografi elektron dan diikuti dengan deponesi tumpukan logam Cr 5 nm / Au 50 nm menggunakan evaporasi elektron. Perlu diperhatikan, untuk mencegah akumulasi muatan pada substrat mica selama proses EBL, fotoresist polimer konduktif (SX AR-PC-5000) diaplikasikan pada mica sebelum proses EBL. Akhirnya, perangkat ditempel pada penguat chip untuk pengukuran fotoelektrik lebih lanjut.

Pengukuran Performa

Pengukuran arus foto dilakukan oleh platform deteksi foto homemade lampu xenon (sumber cahaya: BETICAL HDL-II). Dalam pengukuran, Keithley 2450 digunakan untuk menyediakan bias sumber-saluran. Dengan menyalakan/mematikan cahaya, arus saluran pada kondisi on/off dikumpulkan. Respons fotoelektrik perangkat pada berbagai panjang gelombang (850–1550 nm) dapat diperoleh dengan mengganti filter yang berbeda.

Hasil dan Pembahasan

Seperti yang diilustrasikan Gambar 1a, Bi₂O₂Se berlapis menunjukkan struktur tetragonal dengan grup ruang I4/mmm, dan terdiri dari lapisan oksida kovalen datar (Bi₂O₂) yang diapit oleh array persegi Se dengan interaksi elektrostatik yang relatif lemah [21]. Jenis struktur ini mirip dengan mica. Oleh karena it, nanofilms Bi₂O₂Se dua dimensi sejauh ini semua disintesis pada substrat mica dengan metode deposit uap kimia (CVD) [7, 14, 15]. Gambar 1b menggambarkan tampilan optik luas area nanofilms Bi₂O₂Se multilayer yang tumbuh pada mica. Terlihat jelas bahwa nanofilms seragam dan hampir berbentuk persegi panjang. Citra mikroskop gaya atom (AFM) nanofilms Bi₂O₂Se dalam eksperimen kami ditunjukkan dalam Gambar 1c. Menurut tebal teoretis monolayer (≈ 0,61 nm) [14, 15], 30 nm (Gambar 1d) setara dengan tebal sekitar 49 lapisan. Gambar 1e menunjukkan pola XRD nanofilms Bi₂O₂Se. Puncak yang dapat dilihat semuanya diatribusikan pada bidang difraksi (00l) Bi₂O₂Se (orientasi kristal dialong sumbu c), konsisten dengan studi sebelumnya [14]. Puncak karakteristik A_1g Bi₂O₂Se dapat ditemukan pada ≈ 159,1 cm⁻¹ dalam spektrum Raman (Gambar 1f), yang konsisten dengan laporan sebelumnya [22]. Gambar 1g menunjukkan kurva I-V tipikal perangkat Bi₂O₂Se. Kurva I-V linier yang sangat baik menunjukkan bahwa kontak Ohmik terbentuk. Selain itu, fotodetektor berbasis Bi₂O₂Se 2D menunjukkan stabilitas lingkungan yang luar biasa, yang merupakan metrik kunci untuk aplikasi praktis masa depan [14, 15]. Dari Gambar 1h, panjang dan lebar yang diukur perangkat adalah 29 μm dan 91 μm, masing-masing.

Seperti yang ditunjukkan Gambar 2a, respons fotoelektrik fotodetektor berbasis Bi₂O₂Se multilayer terhadap NIR diukur dengan cermat. Di sini, kami terutama membahas performa perangkat pada band telekomunikasi (1550 nm), yang banyak digunakan di domain militer, komersial, publik, dan akademis. Dari Gambar 2b terlihat bahwa I_DS jelas bertambah seiring peningkatan intensitas cahaya. Selain itu, kurva I-V perangkat di bawah iluminasi tidak menunjukkan tegangan rangka terbuka dan arus singkat yang jelas. Fakta ini menunjukkan bahwa hambatan Schottky yang terbentuk antara elektroda dan material tidak memainkan peran penting dalam karakteristik transportasi perangkat. Oleh karena itu, respons fotoelektrik material seharusnya terutama berasal dari efek fotokonduktif [10].

Untuk mengevaluasi performa fotodetektor, responsivitas (R), efisiensi kuantum eksternal (η), dan detektivitas (D*) adalah parameter krusial yang dapat dihitung dengan rumus berikut [10, 17]:

$$ R={I}_{ph}/ PS $$ (1) $$ \eta \left(\lambda \right)={R}_{\lambda } hc/ q\lambda $$ (2) $$ {D}^{\ast }={I}_{ph}/P{\left(2 qS{I}_d\right)}^{1/2} $$ (3)

di mana I_ph adalah arus foto (perbedaan arus saluran antara kondisi terang (I_i) dan gelap (I_d)), P adalah intensitas cahaya, S adalah area efektif, h adalah konstanta Planck, c adalah kecepatan cahaya, λ adalah panjang gelombang cahaya, dan q muatan elektron. Di sini, kami mengasumsikan bahwa arus gelap adalah kontributor utama ke noise tembak, sehingga menyimpulkan ke persamaan (3) [7]. Pendekatan ini telah digunakan untuk mengevaluasi respons foto material berlapis 2D, seperti grafen [23] dan WSe₂ [24].

Seperti yang terlihat dari Gambar 2c, perangkat memiliki respons foto yang sangat stabil dan dapat diulang pada cahaya 1550 nm setelah beberapa siklus. Waktu responsnya sangat cepat dan dapat mencapai 30 ms untuk kenaikan dan 60 ms untuk penyusutan, masing-masing. Ini karena nanofilms Bi₂O₂Se ultratipis yang tumbuh tidak memiliki status jebakan permukaan dan level energi cacat dangkal. Akhirnya, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2d, I_ph meningkat monoton dengan P meningkat, mengikuti hubungan I~P^α. Di sini, α disimpulkan sebesar 0,99 untuk Bi₂O₂Se dengan mencocokkan data eksperimen, yang menunjukkan bahwa arus foto terutama ditentukan oleh jumlah foton yang terserap [7]. Responsivitas fotodetektor berbasis Bi₂O₂Se multilayer sekitar 68 A/W, yang menunjukkan performa sangat tinggi sebagai fotodetektor.

Selanjutnya, performa respons fotoelektrik fotodetektor berbasis Bi₂O₂Se multilayer terhadap panjang gelombang NIR (850–1550 nm) secara sistematis diteliti. Menurut perhitungan dengan rumus (1)–(3) yang disebutkan, responsivitas, efisiensi kuantum eksternal, dan detektivitas ditunjukkan dalam Gambar 3. Dapat ditemukan bahwa perangkat memiliki responsivitas sangat tinggi pada band NIR, yang mencapai 101 A/W (900 nm). Selain itu, fotodetektor berbasis Bi₂O₂Se multilayer memiliki η ultra tinggi, yang melebihi 20.000% pada 850 nm, yang menunjukkan kemampuan konversi fotoelektrik yang luar biasa. Laju deteksinya dapat mencapai 1,9 × 10¹⁰ pada 900 nm, menunjukkan rasio sinis-noise yang sempurna sebagai fotodetektor. Dalam pengukuran kami, arus gelap perangkat selalu tetap pada nilai yang relatif stabil (0,5 μA). Oleh karena itu, tren D* (sebagai fungsi panjang gelombang insiden) mirip dengan tren R. Jelas, dibandingkan Bi₂O₂Se tipis lapisan yang dilaporkan oleh Ref. [7] dan Ref. [8], Bi₂O₂Se multilayer memiliki responsivitas foto dan efisiensi kuantum eksternal yang lebih tinggi (tegangan bias sumber-saluran, 1 V, yang sama dengan Ref. [7] dan Ref. [8]), sambil tetap menjaga waktu respons yang relatif cepat dan laju deteksi yang tinggi. Perlu diperhatikan, Ref. [8] hanya melaporkan waktu respons intrinsik (1 ps) material dengan teknik pompa-probe tetapi tanpa waktu respons perangkat fotodetektor Bi₂O₂Se [8].

Secara umum, material berlapis 2D belum menunjukkan sensitivitas seperti itu pada rentang deteksi NIR. Misalnya, kalkogenida logam transisi (TMDs) biasanya memiliki jarak bandgap yang terlalu besar untuk mendeteksi cahaya IR [17], sedangkan untuk grafen, ia menunjukkan respons foto berkecepatan tinggi tetapi sensitivitas intrinsik yang sangat rendah kurang dari puluhan mA/W [25]. Meskipun responsivitas dapat ditingkatkan dengan membuat struktur heterostruktur atomik [26,27,28], ia masih tidak melakukan dengan sempurna dalam deteksi NIR. Dibandingkan material 2D lainnya (Tabel 1), fotodetektor berbasis Bi₂O₂Se multilayer menunjukkan performa fotoelektrik yang lebih unggul, terutama R dan η yang tinggi. Perlu diperhatikan, jika etching kimia diterapkan untuk mengoptimalkan geometri nanofilms Bi₂O₂Se multilayer [15], performa perangkat dapat ditingkatkan lebih lanjut.

Proses fisik respons foto fotodetektor berbasis Bi₂O₂Se dapat dijelaskan dengan diagram energi band sederhana (Gambar 4a). Tanpa iluminasi dan tanpa menerapkan bias saluran, perangkat dalam keadaan seimbang dan tidak ada arus yang mengalir di saluran. Menerangakan perangkat dengan cahaya NIR akan mengakibatkan penyerapan cahaya dan eksitasi pasangan elektron-lubang, yang dapat diekstrak dengan menerapkan bias sumber-saluran [29,30,31]. Karena hambatan Schottky pada kontak logam Bi₂O₂Se sangat rendah, pembawa muatan yang dihasilkan foto dapat melewati hambatan dengan mudah [16,17,18]. Oleh karena itu, fotodetektor berbasis Bi₂O₂Se multilayer menunjukkan performa fotoelektrik yang luar biasa.

Penting, mekanisme peningkatan performa fotoelektrik harus dibahas. Secara teoretis, penyerapan optik Bi₂O₂Se multilayer lebih tinggi dibandingkan Bi₂O₂Se tipis lapisan, yang dapat menginduksi arus foto I_ph yang lebih tinggi [14, 20]. Daya insiden P(x) sebagai fungsi jarak x dapat diekspresikan sebagai P(x) = P_in·e^−α·x, di mana α adalah koefisien penyerapan nanofilms Bi₂O₂Se pada energi foton insiden. Jumlah daya yang diserap oleh slab Bi₂O₂Se dengan tebal Δx pada jarak x dari permukaan adalah dR_a = − (dP/dx)·Δx. Kemudian, total daya yang diserap oleh film Bi₂O₂Se dengan tebal d adalah R_a = P_in·(1 − e^−α·d). Untuk α·d << 1, daya yang diserap dapat ditulis sebagai R_a = P_in·α·d [16, 19]. Di sini, tebal d dalam eksperimen kami adalah 5 kali dan 3 kali Ref. [7] dan Ref. [8], masing-masing. Sebagai kenyataan, nanofilms Bi₂O₂Se multilayer dalam karya kami akan memiliki R yang lebih baik. Namun, meskipun dengan peningkatan penyerapan optik, Bi₂O₂Se multilayer memiliki beberapa kekurangan, seperti kepadatan status (DOS) yang lebih tinggi, sehingga menyebabkan lebih banyak status mid-gap dibandingkan monolayer (atau tipis lapisan) [13, 14]. Seperti yang ditunjukkan Gambar 4b, ketika perangkat berubah dari “kondisi on” ke “kondisi off,” elektron yang terangsang di band yang lebih tinggi Bi₂O₂Se multilayer pertama kali akan transisi ke status mid-gap, lalu kembali ke band dasar [16, 17, 19]. Dengan kata lain, waktu umur pembawa τ akan meningkat secara tak terhindarkan. Situasi yang sama akan muncul ketika perangkat berubah dari “kondisi off” ke “kondisi on.” Menariknya, dibandingkan dengan pekerjaan sebelumnya, nanofilms Bi₂O₂Se multilayer masih memiliki waktu respons yang cepat, yang memuaskan untuk banyak aplikasi [1,2,3]. Ini berarti keberadaan status mid-gap mungkin tidak merugikan performa dinamis nanofilms Bi₂O₂Se. Terakhir, untuk peningkatan η yang sangat besar, dua alasan utama memainkan peran penting. Pertama, peningkatan lapisan meningkatkan penyerapan foton insiden. Selain itu, keberadaan status mid-gap memungkinkan lebih banyak saluran transisi untuk elektron yang terangsang. Oleh karena itu, η meningkat secara signifikan [16, 19].

Kesimpulan

Secara ringkasan, kami telah menyajikan properti fotoelektrik fotodetektor berbasis Bi₂O₂Se multilayer (tebal ~ 30 nm). Bi₂O₂Se multilayer menunjukkan respons foto ultra sensitif dari 850 hingga 1550 nm dengan reproduktibilitas yang baik pada suhu kamar, termasuk responsivitas foto tinggi, waktu respons cepat, efisiensi kuantum eksternal tinggi, dan laju deteksi tinggi. Hasil menunjukkan bahwa Bi₂O₂Se multilayer memiliki respons foto yang relatif lebih baik dibandingkan Bi₂O₂Se tipis lapisan.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data sepenuhnya tersedia tanpa pembatasan.

Singkatan

NIR:

Infrarot dekat

IR:

Inframerah

TFT:

Transistor tipis lapisan

AFM:

Mikroskop gaya atom

SEM:

Mikroskop elektron pemindai

CVD:

Deposit uap kimia

TMDs:

Kalkogenida logam transisi