ZnO UV Photodetectors Dimodifikasi oleh Ag Nanopartikel Menggunakan All-Inkjet-Printing

Hasil dan Diskusi

Fotodetektor ZnO UV semua-inkjet-cetak tanpa Ag NP (selanjutnya disebut sebagai sampel kontrol) dibuat sebagai sampel kontrol dalam penelitian ini. Permukaan film ZnO pencetakan inkjet dicirikan pada Gambar 1a oleh SEM, dan dapat ditarik bahwa ada banyak batas kristal film ZnO, yang merupakan morfologi permukaan khas film ZnO pencetakan inkjet. Morfologi permukaan fotodetektor ZnO dengan pencetakan inkjet Ag NP (selanjutnya disebut sampel Ag NP) ditunjukkan pada Gambar 1b. Dapat diamati dengan jelas bahwa NP Ag berhasil dicetak pada permukaan film ZnO. Distribusi diameter Ag NP diukur dengan instrumen ukuran partikel, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 1d. Dapat ditarik bahwa diameter NP Ag terutama bervariasi dari 20 hingga 65 nm. Kurva XRD 2theta-omega dari dua sampel ditunjukkan pada Gambar. 1c. Dari hasil XRD dapat disimpulkan bahwa terdapat banyak orientasi kristal yang terdapat pada film ZnO, yang menunjukkan batas kristal densitas tinggi terinduksi pada film ZnO. Batas kristal dianggap mengurangi arus gelap karena hamburan batas butir [16]. Puncak Ag (111) dan Ag (200) muncul pada 38,17 dan 44,45 ° membuktikan bahwa pencetakan inkjet Ag NP telah berhasil dibuat pada film ZnO.

Gambar SEM dari a dicetak ZnO dan b ZnO tercetak dengan nanopartikel Ag tercetak. c Pola XRD film ZnO dan tanpa Ag NP. d Distribusi ukuran nanopartikel Ag. Liu dkk. [22]

Untuk mengungkap pengaruh NP Ag pada sifat film ZnO dan fotodetektor UV, simulasi PL, XPS, dan FDTD diambil dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 2. Dari spektrum PL yang dinormalisasi yang ditunjukkan pada Gambar 2a, dapat disimpulkan bahwa pendaran warna hijau sampel NP Ag menurun dibandingkan dengan sampel kontrol, yang membuktikan bahwa V_O -, V_Zn -, dan O_i -cacat terkait sebagian dipasifkan [23,24,25]. Hasil XPS pada Gambar 2b juga menunjukkan bahwa densitas V_O cacat sangat berkurang untuk sampel Ag NP. Selanjutnya, puncak –OH muncul pada sampel kontrol yang disebabkan oleh penyerapan permukaan karena polaritas film ZnO [26]. Karena permukaan ZnO dipasifkan oleh NP Ag, efek penyerapan melemah dan tidak ada puncak terkait –OH yang muncul dalam sampel NP Ag. Membandingkan hasil XPS sampel Ag NP dengan sampel kontrol, puncak Ag–O dalam data XPS muncul sekitar 528 eV, yang dianggap diinduksi oleh oksidasi Ag NP dan pasivasi V_Zn . Karena permukaan spesifik jauh lebih besar dibandingkan NP Ag dengan Ag massal dan oksidasi akan lebih mudah terjadi, sedangkan atom Ag akan terletak pada posisi V_Zn cacat dan ikatan dengan atom O untuk pasif V_Zn cacat. Untuk mengkonfirmasi peran NP Ag untuk bekerja sebagai plasmon permukaan (SP), dilakukan simulasi FDTD. Diameter NP Ag untuk simulasi adalah 40 nm, karena diameter sebagian besar partikel Ag berkisar antara 30 hingga 40 nm. Model ditunjukkan pada Gambar. 2 c dan d, dan hubungan antara absorbansi dan panjang gelombang ditunjukkan pada Gambar. 2e. Meskipun serapan puncak terletak pada 376,5 nm, masih terdapat serapan kuat pada 365 nm, yang berarti NP Ag benar-benar berperan sebagai plasmon permukaan untuk fotodetektor ZnO UV pada 365 nm.

a Intensitas PL yang dinormalisasi dari film ZnO dengan dan tanpa Ag NP. b Spektrum XPS sesuai dengan level inti O-1 dari film ZnO dengan dan tanpa Ag NP. c Distribusi medan listrik penampang dan d distribusi medan listrik tampilan atas NP Ag pada film ZnO yang disimulasikan oleh FDTD. e Kurva penyerapan film ZnO dengan dan tanpa Ag NP dihitung dengan FDTD. Liu dkk. [22]

Pengujian IV di bawah kondisi yang berbeda dilakukan untuk mengkarakterisasi kinerja dari dua fotodetektor UV seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Diagram struktur dari fotodetektor ZnO UV modifikasi Ag NP yang dicetak semua-inkjet dan foto fisiknya ditunjukkan pada Gambar. 3a. Dalam kondisi gelap dan sumber cahaya 365 nm, uji IV telah dilakukan pada dua sampel dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 3b. Terlihat bahwa sampel NP Ag memiliki arus gelap yang lebih rendah dan arus foto yang lebih tinggi daripada sampel kontrol, yang berarti kinerja sampel NP Ag lebih baik daripada sampel kontrol. Tren arus foto dan responsivitas (R ) dengan perubahan daya datang masing-masing ditunjukkan pada Gambar 3 c dan d. Responsivitas dihitung dengan rumus berikut [22]:

a Struktur skema fotodetektor UV ZnO UV termodifikasi Ag NP dan sisipannya adalah gambar optik fotodetektor UV fabrikasi dengan cara menekuk. b Karakteristik IV dalam kondisi gelap dan UV 365 nm pada 715 mW. c , d Kecenderungan photocurrent dan responsivitas dengan daya dan responsivitas yang berbeda. e Hubungan antara deteksi yang dinormalisasi (D *) dan kebalikan dari NEP (1/NEP). Liu dkk. [22]

di mana I _ringan dan Aku _gelap adalah arus foto dan arus gelap, masing-masing. P _di singkatan dari daya efektif cahaya datang, yang sama dengan nilai daya input total dibagi dengan area aktif (A ) dari fotodetektor. Baik arus foto dan responsivitas sampel NP Ag menunjukkan kecenderungan yang meningkat dengan P . yang lebih tinggi _di , sedangkan kecenderungan arus foto untuk sampel kontrol hampir tidak berubah tetapi responsivitas menunjukkan kecenderungan yang menurun. Kekuatan setara kebisingan (NEP) dan deteksi normal (D* ) dihitung dengan ekspresi:

dan hubungan antara D * dan 1/NEP untuk kedua sampel ditunjukkan pada Gambar 3e. Parameter f adalah bandwidth, dan f =1 diadopsi dalam pekerjaan ini. D * menggambarkan kemampuan fotodetektor untuk mendeteksi cahaya lemah dan NEP adalah daya cahaya yang datang ketika rasio sinyal terhadap noise (S/N) sama dengan 1. Jelas, semakin tinggi D * dan 1/NEP berarti kinerja fotodetektor UV yang lebih tinggi. Dari Gambar 3e, dapat disimpulkan bahwa fotodetektor ZnO termodifikasi NP Ag dapat mencapai D yang lebih tinggi. * dan 1/NEP, yang membuktikan bahwa Ag NP yang dicetak dengan inkjet dapat diterapkan untuk meningkatkan kinerja fotodetektor ZnO UV pencetakan inkjet. D * dan 1/NEP akan meningkat dengan semakin tinggi daya cahaya datang untuk sampel NP Ag tetapi menunjukkan kecenderungan menurun untuk sampel kontrol sesuai dengan rumus (1), (2), dan (3). D * dari sampel yang dimodifikasi NP Ag adalah 1,45 × 10 ¹⁰ Jones pada daya cahaya insiden 0,715 mW, yang lebih tinggi dari 5,72 × 10 ⁹ Jones dari sampel kontrol. Meskipun peningkatan tampaknya tidak signifikan dalam pekerjaan ini karena ini adalah pertama kalinya untuk mengeksplorasi proses terkait, ada ruang besar untuk perbaikan dalam penelitian lebih lanjut.

Untuk menjelaskan mekanisme perubahan hasil uji I-V ditunjukkan pada Gambar 3, tingkat energi V_O , V_Zn, dan O_i cacat terkait dikumpulkan dari referensi [27,28,29,30] pada Gambar. 4. Dapat disimpulkan bahwa V_O , V_O ⁺ , V_O ²⁺ , dan V_Zn cacat adalah perangkap lubang [28, 30, 31]. V_Zn ²⁻ dan V_Zn ⁻ cacat adalah perangkap elektron dan pusat rekombinasi non-radiatif [28], masing-masing. Untuk sampel Ag NP, konsentrasi perangkap pembawa jauh lebih sedikit daripada sampel kontrol menurut hasil PL dan XPS pada Gambar. 2 a dan b. Selanjutnya, The –OH dianggap sebagai donor dangkal dalam bahan ZnO, dan dapat menyediakan elektron dengan mudah untuk meningkatkan densitas pembawa bebas [32], yang ada dalam sampel kontrol tetapi tidak dapat ditemukan dalam sampel Ag NP menurut Data XPS ditunjukkan pada Gambar. 2b. Berdasarkan analisis di atas, diagram pita sederhana dari dua sampel dalam kondisi yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 5. Ketika uji IV dilakukan dalam kondisi gelap, densitas pembawa sampel kontrol akan lebih tinggi daripada sampel NP Ag karena elektron bebas tereksitasi dari donor dangkal dan keadaan permukaan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5 a dan c. Dengan demikian, arus gelap sampel kontrol lebih tinggi daripada sampel NP Ag, yang sesuai dengan hasil pada Gambar 3b. Selain itu, “efek bayangan” dari NP Ag juga akan menyebabkan hilangnya energi cahaya datang [18], yang akan menghasilkan fakta bahwa arus cahaya dan responsivitas sampel NP Ag lebih rendah daripada sampel kontrol pada suhu rendah. kekuatan insiden. Namun, ketika uji IV dilakukan di bawah penyinaran cahaya 365 nm, arus foto sampel kontrol tidak menunjukkan kecenderungan peningkatan yang signifikan dengan peningkatan daya datang. Menurut hubungan antara laju penangkapan pembawa dan kepadatan perangkap,

Diagram skema tingkat energi V_O , V_Zn , dan cacat terkait Oi yang dikumpulkan dari referensi. NRC, pusat rekombinasi non-radiatif; ET, perangkap elektron; HT, perangkap lubang. Liu dkk. [22]

a , b Diagram skematik untuk transportasi pembawa dan pembuatan film ZnO dengan NP Ag masing-masing dalam gelap dan dalam pencahayaan 365 nm. c , d Diagram skema untuk transportasi pembawa dan pembuatan film ZnO tanpa NP Ag masing-masing dalam gelap dan dalam pencahayaan 365 nm. Liu dkk. [22]

di mana R _{n 0} dan R _{p 0} adalah tingkat penangkapan elektron dan lubang, r _n dan r _p adalah koefisien perangkap dari level perangkap, n dan p menyajikan konsentrasi elektron dan lubang bebas, dan N _{tn 0} dan T _{tp 0} berdiri untuk konsentrasi cacat perangkap elektron dan lubang sebelum ionisasi, masing-masing. Dari rumus (4) dan (5), dapat disimpulkan bahwa laju penangkapan pembawa pada level perangkap akan meningkat dengan semakin tinggi konsentrasi pembawa bebas dan semakin tinggi densitas cacat perangkap. Ketika cahaya mengenai sampel kontrol, eksitasi intrinsik akan terjadi dan memasok banyak pembawa bebas. Probabilitas pembawa yang terperangkap akan meningkat pesat dengan meningkatnya kepadatan pembawa, yang akan membatasi peningkatan konsentrasi pembawa bebas. Sementara itu, cacat perangkap terionisasi juga akan meningkatkan kemungkinan hamburan pembawa, yang akan menurunkan mobilitas pembawa dan selanjutnya membatasi peningkatan arus foto. Dengan demikian, arus foto dari sampel kontrol tidak akan meningkat secara substansial seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c dan 5d. Responsivitas yang dihitung dari sampel kontrol akan berkurang dengan daya insiden yang lebih tinggi karena arus foto tidak meningkat secara signifikan dengan peningkatan daya insiden seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d. Untuk sampel NP Ag, ada lebih sedikit kerapatan cacat perangkap dan keadaan permukaan dalam film ZnO karena pasivasi NP Ag. Akibatnya, arus gelap sampel NP Ag akan lebih kecil daripada sampel kontrol karena permukaan yang dipasifkan memberikan konsentrasi donor yang lebih dangkal. Ketika sampel NP Ag diuji di bawah iradiasi cahaya 365 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b, eksitasi intrinsik dan efek plasmon permukaan NP Ag akan ditingkatkan. Konsentrasi pembawa bebas akan sangat meningkat karena ada lebih sedikit cacat perangkap dalam sampel Ag NPs. Arus foto akan menunjukkan kecenderungan peningkatan yang signifikan dengan daya insiden yang lebih tinggi, yang sesuai dengan hasil yang ditunjukkan pada Gambar. 3c. Hubungan hukum daya antara arus foto dan daya cahaya datang dari detektor ZnO termodifikasi NP Ag adalah

di mana aku _pc adalah fotorespons [33]. Dari ekspresi relasional (6), dapat disimpulkan bahwa sampel NP Ag menunjukkan sangat sensitif terhadap perubahan daya datang sinar UV. Dengan demikian, responsivitas NP Ag akan sangat meningkat dengan daya insiden yang lebih tinggi karena peningkatan arus foto yang signifikan. Ini akan berkontribusi pada perubahan 1/NEP dan D * seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3e, yang menunjukkan bahwa NP Ag menjanjikan untuk lebih meningkatkan kinerja fotodetektor UV ZnO yang dibuat dengan pencetakan inkjet penuh.

Arus foto bergantung waktu dari dua sampel diuji dengan siklus hidup/mati 20 detik dengan tegangan bias 20 V dan daya datang 0,715 mW, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 a dan c. Waktu peluruhan untuk dua sampel dilengkapi dengan fungsi peluruhan eksponensial orde kedua [34]. Dari Gambar 6 b dan d, dapat disimpulkan bahwa waktu naik kedua sampel serupa tetapi waktu peluruhannya jelas berbeda. Waktu peluruhan adalah 3,01 s dan 8,12s untuk sampel kontrol, yang jauh lebih lama dari 1,08 s dan 3,30s sampel Ag NPs. Kedua proses peluruhan menunjukkan bahwa ada dua mekanisme fisik terpisah yang mengontrol fotodecay perangkat. Penurunan waktu peluruhan yang signifikan berarti pencetakan inkjet Ag NPs dapat menguntungkan resolusi waktu detektor ZnO UV pencetakan inkjet. Proses peluruhan dianggap disebabkan oleh pembawa yang dilepaskan dari tingkat perangkap ketika lampu dimatikan. Jadi, alasan waktu peluruhan yang lebih lama untuk sampel kontrol adalah karena konsentrasi perangkap jauh lebih tinggi daripada sampel NP Ag, yang konsisten dengan hasil yang kita pelajari dari Gambar 2. Arus pengaktifan sampel kontrol menunjukkan kecenderungan menurun dengan waktu switching pada Gambar. 6a, yang disebabkan oleh hamburan pembawa oleh muatan sisa di tingkat perangkap sesuai dengan peningkatan arus turn-off. Untuk sampel Ag NP, arus pemutusan hampir mencapai nol untuk setiap periode pensaklaran, yang berarti pembawa dalam perangkap hampir dilepaskan seluruhnya. Arus penyalaan sampel Ag NP menunjukkan kecenderungan yang meningkat seiring dengan waktu pensaklaran, yang perlu diteliti lebih lanjut. Di sini, kami mengajukan hipotesis bahwa fenomena ini mungkin disumbangkan oleh efek terkait plasmon permukaan atau sifat memori bahan ZnO [35, 36], yang akan dipelajari dalam penelitian lebih lanjut.

a Arus foto tergantung waktu dari film ZnO tanpa Ag NP dengan penerangan 365 nm pada 20 V. b Respon film ZnO tanpa fotodetektor Ag NP. c Arus foto bergantung waktu dari film ZnO dengan Ag NP dengan penerangan 365 nm pada 20 V. d Respon film ZnO dengan fotodetektor Ag NP. Liu dkk. [22]