UV-Visible Photodetector Berdasarkan Heterostruktur tipe-I dari ZnO-QDs/Monolayer MoS2

Hasil dan Diskusi

Morfologi dan Struktur ZnO-QDs/Monolayer MoS₂ Detektor foto

Pelapisan spin larutan ZnO-QDs diadopsi untuk membuat ZnO-QDs/MoS₂ perangkat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. Gambar 1b menunjukkan gambar optik monolayer MoS₂ serpih dengan panjang sisi rata-rata 25 μm. Gambar AFM pada Gambar 1c menunjukkan ketebalan MoS₂ serpihan adalah ~ 0.8 nm, menunjukkan bentuk segitiga ini MoS₂ serpih adalah monolayer [25]. Selain itu, dua mode aktif Raman terletak di 384.24 cm ⁻¹ dan 403,18 cm ⁻¹ ditunjukkan dalam spektrum Raman pada Gambar. 1d sesuai dengan E ¹ _2g dan di luar pesawat A_1g , masing-masing. Selisih dua puncak adalah 18,94 cm ⁻¹ selanjutnya, pada spektrum PL yang ditunjukkan pada Gambar 1e, terdapat puncak yang terletak pada 1,84 eV. Kedua hasil tersebut merupakan fitur pembeda dari monolayer MoS₂ [26]. Pemetaan Raman yang sesuai ditunjukkan pada Gambar. 1f menunjukkan bahwa MoS₂ serpihan memiliki ketebalan yang seragam.

a Diagram skema perangkat murni dan ZnO-QDs/MoS₂ perangkat. b Gambar optik MoS₂ serpih, skala bar, 10 μm. c Gambar AFM, sisipan menunjukkan ketebalan MoS₂ , bilah skala, 2 μm. d Spektrum Raman dan e Spektrum PL dari MoS₂ mengelupas. f Pemetaan Raman dari MoS₂ serpihan, bilah skala, 5 μm

ZnO-QDs dapat memancarkan cahaya karena efek emisi spontan, yang diamati dalam percobaan kami, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Gambar 2b menunjukkan pola XRD serbuk ZnO-QD yang sesuai dengan kartu JCPDS no. 36-1451 dan tidak ada puncak lain yang diamati, yang tidak hanya memverifikasi keberadaan ZnO tetapi juga berarti prekursor, telah sepenuhnya dihilangkan oleh aseton. Pola XRD bahan QD cenderung memiliki lebar penuh yang lebih lebar pada setengah maksimum (FWHM) dibandingkan dengan bahan curah atau bubuk [27], yang juga diamati pada serbuk ZnO buatan kami. Untuk memastikan ukuran rata-rata dan distribusi ZnO-QD yang terdispersi dalam etanol, digunakan TEM dan HRTEM; gambar yang sesuai dari ZnO-QDs ditunjukkan pada Gambar. 2c dan d. Ukuran rata-rata ZnO-QDs adalah 4,3 ± 1,87 nm; hasil ini diperoleh dengan analisis TEM statistik lebih dari 100 ZnO-QDs. Dari gambar HRTEM pada Gambar 2d, kami menemukan bahwa ZnO-QDs memiliki kualitas kristal yang tinggi dengan jarak kisi 0,28 nm, yang sesuai dengan (100) bidang kristal ZnO.

a ZnO-QDs dengan waktu sintesis yang berbeda memancarkan cahaya di bawah penerangan sinar UV. b Pola difraksi XRD dari serbuk ZnO-QD. c , d Gambar TEM dan HRTEM dari ZnO-QDs. Inset menunjukkan distribusi ukuran ZnO-QDs

Kinerja Optoelektronik ZnO-QDs/Monolayer MoS₂ Fotodetektor

Karakteristik arus vs tegangan bias (I–V) ZnO-QDs/MoS₂ perangkat dalam gelap dan di bawah penerangan cahaya (532 nm) ditunjukkan pada Gambar. 3a, dan inset adalah karakteristik perbesaran I–V yang lebih tinggi yang terletak pada tegangan negatif. Rasio hidup/mati tertinggi diukur sekitar 100 pada tegangan 0,5 V. Area efektif perangkat adalah 185,71 μm ² dan PD laser bervariasi dari 1,97 hingga 24,08 mW/cm ² . Karena kontak Schottky antara monolayer MoS₂ dan elektroda, kurva I–V tidak simetris. Keuntungan dari penghalang Schottky yang terletak di area kontak adalah bahwa penghalang Schottky tidak hanya dapat memisahkan pasangan lubang elektron yang difotogenerasi dalam waktu yang lebih singkat tetapi juga mengurangi laju rekombinasi lubang elektron sehingga bermanfaat untuk mencapai arus foto yang tinggi dan kecepatan respons yang cepat. [28,29,30]. Saat PD meningkat, arus foto meningkat secara signifikan ketika perangkat diterapkan dengan tegangan positif, sehingga semua pengukuran lebih lanjut dilakukan pada V _ds =1 V.

a Karakteristik I–V dari ZnO-QDs/MoS₂ photodetektor di bawah kepadatan daya iluminasi yang berbeda. Inset adalah karakteristik perbesaran I–V yang lebih tinggi (tegangan negatif) di bawah gelap dan kepadatan daya iluminasi yang berbeda. b Peta responsivitas 3D dari ZnO-QDs/MoS₂ fotodetektor. c Arus foto yang bergantung pada intensitas daya (merah) dan responsivitas (R, hijau) di bawah panjang gelombang eksitasi 532 nm pada V _ds =1 V. d Efisiensi kuantum eksternal yang bergantung pada intensitas daya (EQE, merah) dan deteksi spesifik (D*, hijau) pada V _ds =1 V

Responsivitas adalah salah satu parameter penting dari fotodetektor, yang ditentukan oleh R _λ =Aku _ph /PS, di mana P adalah PD cahaya, dan S adalah area efektif fotosensitif. Kami menyajikan peta responsivitas 3D ZnO-QDs/MoS₂ perangkat pada Gambar. 3b, yang mencerminkan dampak V . yang berbeda _ds dan PD tentang responsivitas. Untuk mengetahui perbedaan kinerja antara perangkat murni dan perangkat yang didekorasi dengan ZnO-QD, kami mengukur dan membandingkan arus foto (I _ph =Aku _ringan Aku _gelap ) diplot oleh titik merah dan responsivitas (R _λ ) diplot oleh titik hijau, di bawah penerangan laser 405 nm dengan V _ds =1 V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c. Arus foto dipasang oleh I _ph P ^α , di mana P adalah PD cahaya dan mewakili indeks hukum pangkat. Menyesuaikan arus foto terukur, nilai α =0,8 untuk MoS murni₂ dan α =0,84 untuk ZnO-QDs/MoS₂ tercapai. Di sini, perhitungan α mendekati 1 menyiratkan ada lebih sedikit pembawa fotoeksitasi yang hilang karena rekombinasi [31]. Perangkat murni memiliki arus foto maksimum 0,168 nA di bawah laser PD 24,08 mW/cm ² dan menunjukkan responsivitas 0,028 A/W di bawah PD laser yang lebih rendah sebesar 0,073 mW/cm ² . Dengan PD yang sama, ZnO-QDs/MoS₂ perangkat menunjukkan arus foto yang lebih tinggi sebesar 0,667 nA dan responsivitas 0,084 A/W. Hasil ini mengungkapkan arus foto dari monolayer MoS₂ perangkat dapat ditingkatkan secara signifikan dengan dekorasi ZnO-QDs. Selain itu, dua parameter penting dalam fotodeteksi, efisiensi kuantum eksternal (EQE) dan deteksi (D*), juga dihitung untuk perbandingan lebih lanjut. EQE adalah rasio elektron fotogenerasi yang dikumpulkan di luar perangkat dengan jumlah foton yang datang, dinyatakan sebagai EQE =hcR _λ /λ e, di mana h adalah konstanta Planck, c adalah kecepatan cahaya, λ adalah panjang gelombang cahaya eksitasi, dan e adalah muatan elektronik dasar. Adapun D*, dapat mengukur sensitivitas fotodetektor dan didefinisikan sebagai D* =R _λ S ^1/2 /(2eAku _gelap ) ^1/2 jika kita menganggap I _gelap berkontribusi terhadap kebisingan utama. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d, perangkat murni menunjukkan EQE maksimum (merah) dan D* (hijau), sesuai dengan 8,5% dan 3,84 × 10 ¹⁰ Jones, masing-masing, di bawah PD laser 0,075 mW/cm ² . Sementara itu, dengan PD yang sama, EQE dan D* maksimum, sesuai dengan 25,7% dan 1,05 × 10 ¹¹ Jones, masing-masing, keduanya sekitar 3 kali lebih tinggi daripada yang murni diperoleh dengan ZnO-QDs/MoS₂ perangkat. D* yang dicapai oleh perangkat hibrida kami bersaing dengan banyak fotodetektor lain yang dilaporkan berdasarkan bahan berlapis, seperti graphene quantum dot/WSe₂ /Si heterojunction (4,51 × 10 ⁹ Jones) dan struktur QDs/graphene graphene/graphene (~ 10 ¹¹ Jones) [32, 33]. Ini karena Aku _gelap diperoleh di perangkat dikurangi menjadi nilai yang sangat kecil di bawah 0,1 nA pada bias 1 V; itu sebanding dengan I _gelap dari fotodetektor heterojunction graphene-silicon (0,1 nA pada bias nol) [34].

Arus foto perangkat murni dan perangkat yang didekorasi ZnO-QD di bawah paparan laser dengan panjang gelombang berbeda diberikan pada Gambar. 4a. Ada peningkatan yang jelas dari arus foto apa pun di 405 nm, 532 nm, atau 635 nm, yang menyiratkan titik-titik kuantum ZnO dengan celah pita lebar mampu meningkatkan kinerja deteksi cahaya tampak. Kami menyelidiki lebih lanjut respons spektral broadband perangkat hibrida, cahaya 254 nm dengan PD 0,26 mW/cm ² dan cahaya 375 nm dengan PD 0,51 mW/cm ² diterapkan untuk menerangi perangkat hibrida dan sifat fotorespon yang sangat baik diamati seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b. Selain itu, perangkat hibrida tidak menunjukkan respons saat disinari oleh cahaya dengan panjang gelombang lebih dari 800 nm. Meskipun kekuatan iluminasi sinar UV rendah, arus foto masih jauh lebih tinggi atau setidaknya sebanding dengan yang diperoleh di bawah iluminasi cahaya tampak dengan PD yang jauh lebih tinggi. Kami percaya ini adalah celah pita lebar ZnO-QD yang memungkinkan perangkat hibrida menyerap lebih banyak foton saat sinar UV mengenainya; dengan demikian, banyak pembawa dihasilkan dan ditransfer ke MoS₂ sehingga sangat memperbesar arus foto. Selain itu, setelah mengaktifkan/menonaktifkan status selama 6 kali selama 250 detik, arus foto dan arus gelap masih tetap pada levelnya, yang menunjukkan stabilitas foto yang sangat baik dari perangkat hibrida ini.

a Arus foto perangkat asli dan ZnO-QDs/MoS₂ fotodetektor disinari di bawah PD berbeda dengan panjang gelombang berbeda pada V _ds =1 V. b Beberapa siklus respons foto ZnO-QDs/MoS₂ fotodetektor di bawah iluminasi cahaya DUV (254 nm) dan UV (375 nm) (V _ds =1 V). Waktu respons c perangkat asli dan d ZnO-QDs/MoS₂ fotodetektor diterangi di bawah PD 35 mW/cm ² dengan panjang gelombang 635 nm pada V _ds =1 V. e PDCR ZnO-QDs/MoS yang dinormalisasi₂ fotodetektor di bawah sinar laser 532 nm di V _ds =1 V; arus foto diukur pada hari 1 dan hari 31 dimasukkan untuk perbandingan yang lebih baik

Fotodetektor dengan kecepatan respons cepat cocok untuk beberapa area, seperti komunikasi optik dan pencitraan video. Sebagai parameter penting lainnya dari fotodetektor, waktu respons juga diselidiki di bawah cahaya 635 nm insiden dengan PD 35 mW/cm ² . Dalam karya ini, kami mendefinisikan waktu naik dan waktu peluruhan fotodetektor sebagai waktu yang dibutuhkan perangkat untuk mencapai 90% dari nilai keseimbangan dari arus awal, dan sebaliknya, masing-masing. Untuk perangkat murni, waktu naik adalah 9,5 s dan waktu peluruhan adalah 17,4 s, kecepatan respons yang lambat seperti itu terutama karena keadaan jebakan yang terletak di celah pita yang disebabkan oleh cacat pada bahan [35]. Setelah MoS₂ photodetektor didekorasi dengan ZnO-QDs, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c dan d, waktu naik dan peluruhan berkurang menjadi 1,5 s dan 1,1s, waktu respons berkurang masing-masing sebesar 84,2% dan 93,7%. Hasil ini menunjukkan bahwa ZnO-QD dapat sangat mempersingkat waktu respons MoS₂ fotodetektor dan menjadikan fotodetektor hibrida ini sebagai kandidat yang cocok untuk aplikasi praktis. Untuk mengevaluasi stabilitas jangka panjang dari fotodetektor hibrida, kami mengukur arus foto perangkat selama 1 bulan (interval 3hari), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e; rasio arus foto/gelap (PDCR =I _ph /Aku _gelap ) diterapkan. Setelah terpapar udara selama 1 bulan, PDCR perangkat tidak menunjukkan degenerasi yang jelas; gambar yang disisipkan menunjukkan bahwa arus yang diukur pada hari 1 dan hari 31 hampir tetap pada tingkat yang sama; jelas, fotodetektor hibrida ini memiliki stabilitas yang baik untuk deteksi foto jangka panjang.

Mekanisme Respons Foto

Di sini kami menyelidiki mekanisme peningkatan kinerja fotodeteksi ZnO-QDs/MoS₂ fotodetektor. Pertama, kami memeriksa penyerapan struktur hibrida melalui simulasi numerik. Menggunakan metode elemen hingga, kami membangun model perhitungan yang terdiri dari domain udara di atas dan substrat safir di bawah. Bagian atas dan bawah model dipotong oleh dua lapisan yang sangat cocok untuk menghindari pantulan palsu. Indeks bias substrat safir ditetapkan sebagai 1,75 konstan. Pada awalnya, kami masing-masing menempatkan MoS setebal 0,8 nm₂ dan lapisan ZnO setebal 4,5 nm pada substrat safir, untuk memeriksa penyerapan independen. Indeks bias MoS₂ monolayer diambil dari referensi [36], dan satu untuk ZnO diambil dari referensi [37]. Kami kemudian menempatkan lapisan hibrida (ZnO di atas MoS₂ ) pada substrat safir yang sama untuk memeriksa penyerapan keseluruhan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, lapisan hibrida menyajikan penyerapan yang ditingkatkan pada wilayah panjang gelombang di bawah 400 nm dibandingkan dengan MoS₂ telanjang. monolayer, mengungkapkan penyerapan UV yang lebih baik setelah dekorasi ZnO-QDs. Kemudian, kami secara eksperimental memeriksa spektrum serapan UV-Vis dari MoS₂ , ZnO-QDs, dan ZnO-QDs/MoS₂ dan hasilnya dicocokkan dengan yang dihitung. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b, monolayer MoS₂ menunjukkan rentang penyerapan broadband dari UV ke cahaya panjang gelombang tampak dan tidak ada puncak serapan yang ditemukan ketika panjang gelombang meningkat ke NIR. Adapun ZnO-QDs, puncak penyerapan terletak pada panjang gelombang sinar UV dan terdapat tingkat penyerapan yang lebih besar dibandingkan dengan MoS₂ . Setelah dekorasi ZnO-QDs, kami menemukan bahwa ZnO-QDs/MoS₂ menunjukkan kemampuan penyerapan yang lebih kuat daripada MoS murni₂ , menunjukkan bahwa heterostruktur memiliki interaksi materi cahaya yang lebih intensif. Plot Tauc yang sesuai ditunjukkan pada Gambar. 5c, dan celah pita MoS₂ dan ZnO-QD dapat dihitung masing-masing menjadi ~ 1.77 eV dan ~ 3.42 eV, yang mendekati nilai dalam laporan sebelumnya [27, 38].

a Spektrum serapan yang dihitung dari MoS₂ , ZnO-QDs, dan ZnO-QDs/MoS₂ . b Spektrum serapan UV-vis dari MoS₂ , ZnO-QDs, dan ZnO-QDs/MoS₂ . c Plot Tauc dari MoS₂ dan ZnO-QD

Berdasarkan laporan sebelumnya, MoS₂ dan ZnO-QD keduanya adalah semikonduktor tipe-n dengan fungsi kerja masing-masing 4,7 eV dan 5,3 eV [39, 40]. Afinitas elektron dari MoS₂ adalah sekitar 4,3 eV [41], yang sedikit lebih besar dari ZnO-QDs (4,2 eV) [42]. Celah pita MoS₂ dan ZnO-QDs dianggap 1,8 eV dan 3,4 eV menurut perhitungan plot Tauc. Struktur pita energi MoS₂ dan ZnO (sebelum dan sesudah kontak), ditunjukkan pada Gambar 6a dan b, dibuat dan digunakan untuk menyelidiki mekanisme tentang peningkatan kinerja fotodeteksi.

a dan b adalah diagram pita MoS₂ dan ZnO-QD sebelum dan sesudah kontak

MoS₂ /ZnO-QDs heterojunction dibentuk oleh gaya Van der Waals dan penyelarasan pita tipe-I pada antarmuka dapat digunakan untuk menjelaskan peningkatan responsivitas [42]. Ketika heterostruktur ini disinari di bawah sinar UV, baik ZnO-QDs dan MoS₂ kuat menyerap foton cahaya dan elektron berpindah dari pita valensi ke pita konduksi sehingga terjadi proses “I”. Setelah itu, elektron disuntikkan dari pita konduksi ZnO-QDs ke MoS₂ pita konduksi sehingga terbentuk proses “V” melalui agitasi termal, sedangkan sebagian elektron pada terowongan pita konduksi ZnO-QDs ke pita konduksi di MoS₂ , menghasilkan proses "III." Dan kemudian, lubang pada pita valensi ZnO-QDs pindah ke pita valensi yang sesuai di MoS₂ , seperti yang ditunjukkan dalam proses "IV." Selain itu, emisi spontan dapat membuat sebagian elektron pada pita konduksi ZnO-QDs dan kembali ke pita valensi untuk memancarkan foton yang dapat mengeksitasi elektron pada pita valensi MoS₂ ke pita konduksi sehingga membentuk proses “II.” Di sisi lain, proses serupa terjadi ketika perangkat hibrida diterangi oleh cahaya tampak, kecuali elektron tereksitasi berasal dari tingkat energi cacat ZnO-QDs [43], yang akan menurunkan energi tereksitasi. Akibatnya, pasangan elektron-hole yang tereksitasi ini berpindah dari ZnO-QDs ke MoS₂ dan menyebabkan peningkatan yang signifikan dari arus foto dibandingkan dengan perangkat murni. Selain itu, sejumlah besar pembawa bersemangat MoS₂ akan sangat meningkatkan tingkat rekombinasi dan mengurangi respon dan waktu peluruhan [42], yang diamati pada Gambar. 4c dan d.