Propriétés photoélectriques dans le proche infrarouge des nanofilms multicouches Bi2O2Se

Contexte

Les photodétecteurs infrarouges (IR) ont été largement étudiés et étudiés depuis leurs applications délicates dans les domaines militaire, commercial, public et universitaire [1,2,3]. Au cours de la dernière décennie, les matériaux bidimensionnels (2D), par exemple le graphène, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) et le phosphore noir, sont devenus des candidats prometteurs avec un grand potentiel pour les applications infrarouges [4,5,6,7,8 , 9]. En raison des propriétés intrigantes des matériaux 2D, y compris l'épaisseur ultrafine, la flexibilité hautement mécanique, la bande interdite appropriée et réglable, les caractéristiques optoélectroniques ultrarapides et les hétérostructures van der Waals faciles à adapter, les matériaux en couches 2D ont été considérés comme les supports IR compétitifs pour la prochaine génération photodétecteurs [10,11,12].

Très récemment, l'oxyséléniure de bismuth en couches (Bi₂ O₂ Se) a été découvert comme un semi-conducteur 2D prometteur avec une mobilité électronique élevée, une photoréponse ultrarapide, une excellente stabilité environnementale et une accessibilité facile à une grande production via une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), ce qui le rend attrayant pour les applications électroniques et optoélectroniques [7, 8, 13, 14, 15]. Auparavant, He Jun et al. [7] et Peng Hailin et al. [8] ont successivement rapporté que Bi₂ O₂ Se possédait d'excellentes propriétés photoélectriques au proche infrarouge (NIR). Cependant, ils se préoccupaient principalement de la couche mince Bi₂ O₂ Se (épaisseur ~ 7 nm). Études préalables par rapport à d'autres matériaux 2D, tels que MoS₂ [16] et MoSe₂ [17, 18], ont montré que les nanoflocons multicouches possédaient également une performance photoélectrique extraordinaire par rapport à la monocouche ou à la couche mince. En fait, multicouche Bi₂ O₂ Se peut être plus attrayant que la couche mince Bi₂ O₂ Se pour les applications FET dans la configuration de transistors à couches minces (TFT) [16, 19]. Par exemple, la densité d'états en multicouche Bi₂ O₂ Se est beaucoup plus élevé que celui de la couche mince Bi₂ O₂ Se, qui peut produire des courants d'entraînement considérablement élevés dans la limite balistique [13, 14]. Dans les TFT à long canal, plusieurs canaux conducteurs peuvent être créés par des effets de champ dans des multicouches Bi₂ O₂ Se, qui peut augmenter l'entraînement actuel des TFT, similaire aux MOSFET silicium sur isolant [19]. De plus, le multicouche Bi₂ O₂ Se offre une réponse spectrale plus large que la couche mince Bi₂ O₂ Se, en raison de sa bande interdite plus étroite, ce qui peut être avantageux dans une variété d'applications de photodétecteurs [20]. Pourtant, multicouche Bi₂ O₂ Les photodétecteurs à base de Se n'ont pas fait l'objet d'études approfondies pour une utilisation en électronique ou en optoélectronique.

Par conséquent, les propriétés photoélectriques NIR des multicouches Bi₂ O₂ Se (épaisseur ~ 30 nm) ont été systématiquement étudiés dans cet article. Multicouche Bi₂ O₂ Le photodétecteur à base de Se démontre une photoréponse ultra-sensible de 850 à 1550 nm avec une bonne reproductibilité à température ambiante. Sa photoréactivité atteint 101 A/W à 1000 nm, avec un temps de montée rapide et un temps de décroissance de 30 ms et 60 ms, respectivement. Par rapport à la couche mince Bi₂ O₂ Se, multicouche Bi₂ O₂ Se a une photoréactivité et une efficacité quantique externe plus élevées, tout en conservant un temps de réponse relativement rapide et un taux de détection élevé. De plus, le photocourant présente une dépendance linéaire de la puissance incidente, offrant une bonne capacité de réglage pour des applications polyvalentes. Ces résultats offrent des opportunités pour développer la prochaine génération de photodétecteurs NIR ultra-sensibles hautes performances à température ambiante.

Méthodes

Croissance et caractérisation de Bi₂ O₂ Voir

Le Bi₂ O₂ Les nanofilms de Se ont été synthétisés via une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Bi₂ O₃ et Bi₂ Se₃ (Alfa Aesar) étaient situés au centre du four tubulaire horizontal (Lindberg/Blue M), et les substrats de mica (Tiancheng Fluorphlogopite Mica Company Ltd., Chine) ont été placés en aval comme substrats. Le four a d'abord été chauffé à 640°C avec un taux d'élévation de 30°C min ⁻¹ et maintenu pendant 60 min avec un flux de gaz argon. Enfin, le four a été refroidi naturellement à température ambiante. Les échantillons synthétisés ont été caractérisés par microscope optique (Olympus BX51), spectre Raman (WiTec 300R), microscope à force atomique (mode semi-contact, société NT-MDT) microscope électronique à balayage (société FEI). Ici, l'aluminium 10 nm a d'abord été évaporé thermiquement pour éviter l'effet de charge du substrat de mica avant la caractérisation SEM.

Fabrication d'appareils

Le photodétecteur à base de multicouche Bi₂ O₂ Se a été fabriqué par une technologie micro-nano standard. Les contacts de source et de drain ont été définis par lithographie par faisceau d'électrons et suivis du dépôt d'un empilement métallique de 5 nm Cr/50 nm Au en appliquant une évaporation par faisceau d'électrons. Notez que, afin d'empêcher l'accumulation de charges sur le substrat de mica pendant le processus EBL, une résine photosensible polymère conductrice (SX AR-PC-5000) a été enduite par rotation sur du mica avant le processus EBL. Enfin, l'appareil a été collé sur le support de puce pour une mesure photoélectrique supplémentaire.

Mesure des performances

Les mesures de photocourant ont été réalisées par une plate-forme de photodétection faite maison avec lampe au xénon (source lumineuse :BETICAL HDL-II). Dans la mesure, Keithley 2450 a été utilisé pour fournir le biais source-drain. En allumant/éteignant la lumière, les courants de drain aux états marche/arrêt ont été collectés. La réponse photoélectrique de l'appareil à différentes longueurs d'onde (850-1550  nm) peut être obtenue en substituant différents filtres.

Résultats et discussion

Comme l'illustre la figure 1a, les couches Bi₂ O₂ Se montre une structure tétragonale avec un groupe d'espace I4/mmm et se compose de couches d'oxyde planes liées de manière covalente (Bi₂ O₂ ) pris en sandwich par des réseaux carrés de Se avec des interactions électrostatiques relativement faibles [21]. Ce type de structure est similaire au mica. Par conséquent, Bi₂ bidimensionnel O₂ Les nanofilms Se sont tous synthétisés sur le substrat de mica par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) jusqu'à présent [7, 14, 15]. La figure 1b illustre une vue optique de grande surface de la multicouche Bi₂ telle que cultivée O₂ Se nanofilms sur mica. On voit bien que les nanofilms sont uniformes et présentent presque des formes rectangulaires. Images d'un microscope à force atomique (AFM) de Bi₂ O₂ Les nanofilms Se dans notre expérience sont montrés sur la figure 1c. D'après l'épaisseur théorique de la monocouche (≈ 0,61 nm) [14, 15], 30 nm (Fig. 1d) équivaut à l'épaisseur d'environ 49 couches. La figure 1e montre les modèles XRD de Bi₂ O₂ Se nanofilms. Les pics discernables sont tous attribués aux plans de diffraction (00l) de Bi₂ O₂ Se (l'orientation cristalline est selon c -axe), en cohérence avec les études précédentes [14]. La caractéristique A_1g pic de Bi₂ O₂ Se peut être trouvé à ≈ 159,1 cm ⁻¹ dans le spectre Raman (Fig. 1f), ce qui est en bonne cohérence avec les rapports antérieurs [22]. La figure 1g montre la courbe I-V typique de Bi₂ O₂ Se l'appareil. Une excellente courbe I-V linéaire indique que les contacts ohmiques sont formés. De plus, 2D Bi₂ O₂ Le photodétecteur à base de Se démontre une excellente stabilité environnementale, ce qui est une mesure clé pour les futures applications pratiques [14, 15]. D'après la figure 1h, la longueur et la largeur mesurées de l'appareil sont respectivement de 29 m et 91  μm.

Caractérisation des couches Bi₂ O₂ Se nanofilms. un Schéma de la couche Bi₂ O₂ Se structure cristalline. Boule orange :Bi. Boule rouge :O. Boule jaune :Se. b Image optique typique de Bi₂ tel que cultivé O₂ Se nanofilms sur mica. c Image AFM du multicouche Bi₂ O₂ Se nanofilms. d Informations de hauteur correspondantes. L'épaisseur est de ~ 30 nm. e modèles XRD. f Spectre Raman excité à l'aide d'un laser de 532 nm. g Caractéristiques de sortie du multicouche Bi₂ O₂ Se dispositif, montrant une excellente stabilité environnementale même exposé à l'air pendant 3 mois. L'encart montre l'image optique de l'appareil. h Image SEM du multicouche Bi₂ O₂ Se nanofilms, montrant les informations de nanostructure de ce matériau. L'encart est une image SEM agrandie

Comme le montre la figure 2a, la réponse photoélectrique du multicouche Bi₂ O₂ Le photodétecteur à base de Se à NIR a été délibérément mesuré. Ici, nous discutons principalement des performances de l'appareil dans la bande des télécommunications (1550  nm), qui est largement appliquée dans les domaines militaire, commercial, public et universitaire. On peut voir sur la figure 2b que I_DS augmente évidemment à mesure que l'intensité lumineuse augmente. De plus, la courbe I-V de l'appareil sous éclairage ne démontre pas de tension apparente en circuit ouvert et de courant de court-circuit. Ce fait indique que la barrière Schottky formée entre l'électrode et le matériau ne joue pas un rôle pivot dans la caractéristique de transport du dispositif. Par conséquent, la réponse photoélectrique du matériau devrait principalement provenir de l'effet photoconducteur [10].

Réponse photoélectrique à la bande de télécommunication (longueur d'onde 1550 nm) de multicouche Bi₂ O₂ Photodétecteur à base de Se. un Vue 3D schématique de Bi₂ O₂ Photodétecteur à base de Se sous éclairage. b Courbes I-V de Bi₂ O₂ Photodétecteur à base de Se sous différentes intensités lumineuses. c Comportements de photoréponse dépendant du temps de Bi₂ O₂ Se dispositif sous un éclairage lumineux de 1550 nm (P =0,26 µW). L'encart montre une réponse photo ultra-rapide de l'appareil. d Photocourant et photoréactivité de Bi₂ O₂ Photodétecteur à base de Se sous différentes intensités lumineuses

Pour évaluer les performances des photodétecteurs, la photoréactivité (R ), efficacité quantique externe (η ), et la détectivité (D* ) sont des paramètres critiques qui peuvent être calculés par la formule suivante [10, 17] :

où je _ph est le photocourant (la différence du courant de drain entre illuminé (I _i ) et sombre (I _d ) indique), P est l'intensité lumineuse, S est la surface effective, h est la constante de Planck, c est la vitesse de la lumière, λ est la longueur d'onde de la lumière, et q la charge électronique. Ici, nous supposons que le courant d'obscurité est le principal contributeur au bruit de grenaille, donc déduit de l'équation (3) [7]. Cette simplification a été utilisée pour évaluer la photoréponse de matériaux en couches 2D, comme le graphène [23] et WSe₂ [24].

Comme on peut le voir sur la figure 2c, le dispositif a une photoréponse très stable et reproductible à une lumière de 1550  nm après plusieurs cycles. Son temps de réponse est extrêmement rapide et peut atteindre 30 ms en montée et 60 ms en décroissance, respectivement. Cela est dû au fait que Bi₂ ultra-mince tel que cultivé O₂ Les nanofilms Se n'ont pas d'états de piège de surface et de niveaux d'énergie de défaut peu profonds. Enfin, comme le montre la figure 2d, I _ph augmente de façon monotone lorsque P augmente, suivant une relation I~P ^α . Ici, α est déduit à 0,99 pour Bi₂ O₂ Se en ajustant les données expérimentales, suggérant que le photocourant est principalement déterminé par les quantités de photon absorbés [7]. La photoréactivité des multicouches Bi₂ O₂ Les photodétecteurs à base de Se sont d'environ 68 A/W, ce qui présente des performances extrêmement élevées en tant que photodétecteur.

Ensuite, les performances de réponse photoélectrique du multicouche Bi₂ O₂ Le photodétecteur à base de Se aux longueurs d'onde NIR (850-1550 nm) a été systématiquement étudié. Selon le calcul par les formules indiquées (1) à (3), la photoréactivité, l'efficacité quantique externe et la détectivité sont démontrées sur la figure 3. On peut constater que l'appareil a une photoréactivité très élevée à la bande NIR, qui atteint 101A /W (900 nm). De plus, multicouche Bi₂ O₂ Le photodétecteur à base de Se possède un η ultra-élevé , qui dépasse 20 000 % à 850  nm, indiquant son excellente capacité de conversion photoélectrique. Son taux de détection peut atteindre 1,9×10 ¹⁰ à 900 nm, montrant un rapport signal/bruit parfait en tant que photodétecteur. Dans notre mesure, le courant d'obscurité de l'appareil se maintient toujours à une valeur relativement stable (0,5 µA). Par conséquent, la tendance de D* (en fonction de la longueur d'onde incidente) est similaire à la tendance de R . Évidemment, par rapport à la couche mince Bi₂ O₂ Se rapporté par Réf. [7] et Réf. [8], multicouche Bi₂ O₂ Se a une réactivité photoélectrique et une efficacité quantique externe plus élevées (tension de polarisation source-drain, 1 V, qui est la même que Réf. [7] et Réf. [8]), tout en conservant un temps de réponse relativement rapide et un taux de détection élevé. Notamment, Réf. [8] n'a rapporté que le temps de réponse intrinsèque (1 ps) du matériau par la technique pompe-sonde mais sans temps de réponse de l'appareil de Bi₂ O₂ Se photodétecteurs [8].

Performance photoélectrique NIR du multicouche Bi₂ O₂ Photodétecteur à base de Se. un Photoréactivité, b efficacité quantique externe, et c détectivité en fonction des longueurs d'onde NIR

En général, les matériaux en couches 2D n'ont pas encore montré une sensibilité aussi élevée dans la plage de détection NIR. Par exemple, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) ont généralement des bandes interdites trop importantes pour détecter la lumière IR [17], tandis que pour le graphène, il montre une photoréponse à grande vitesse mais une très faible sensibilité intrinsèque inférieure à des dizaines de mA/W [25]. Bien que la photoréactivité puisse être améliorée en fabriquant des hétérostructures atomiquement [26,27,28], elle ne fonctionne toujours pas parfaitement dans la détection NIR. Par rapport à d'autres matériaux 2D (tableau 1), le multicouche Bi₂ O₂ Le photodétecteur à base de Se montre d'excellentes performances photoélectriques, en particulier un R élevé et un η élevé . Notamment, si la gravure chimique a été appliquée pour optimiser la géométrie du multicouche Bi₂ O₂ Se nanofilms [15], les performances de l'appareil peuvent être encore améliorées.

Le processus physique de photo-réponse de Bi₂ O₂ Les photodétecteurs à base de Se peuvent être expliqués par un simple diagramme de bande d'énergie (Fig. 4a). Sans éclairage et sans application de polarisation de drain, le dispositif est dans son état d'équilibre et sans circulation de courant dans le canal. L'éclairage de l'appareil avec de la lumière NIR entraînera une absorption lumineuse et une excitation des paires électron-trou, qui peuvent être extraites en appliquant une polarisation drain-source [29,30,31]. Depuis la barrière Schottky en Bi₂ O₂ Le contact Se-métal est très faible, les porteurs de charge photo-générés pourraient facilement passer la barrière [16,17,18]. Par conséquent, multicouche Bi₂ O₂ Le photodétecteur à base de Se a présenté d'excellentes performances photoélectriques.

Mécanisme physique des multicouches Bi₂ O₂ Photodétecteur à base de Se. un Le comportement des porteurs de charge photo-générés des multicouches Bi₂ O₂ Photodétecteur à base de Se. Ici, E_F est l'énergie du niveau de Fermi, E_C est la bande de conduction minimale, E_V est la bande de valence maximale. b Le processus de recombinaison (état « activé » vers « état désactivé ») de Bi₂ O₂ Photodétecteur à base de Se. Ici, CB est la bande de conduction, CV est la bande de valence, E_vac est l'énergie du vide, EA est l'affinité électronique

Surtout, le mécanisme d'amélioration des performances photoélectriques doit être discuté. Théoriquement, l'adsorption optique des multicouches Bi₂ O₂ Se est supérieur à celui de la couche mince Bi₂ O₂ Se, qui peut induire des photocourants plus élevés I _ph [14, 20]. La puissance incidente P(x) en fonction de la distance x pourrait être exprimé comme P(x) =P _dans ·e ^−α·x , où α est le coefficient d'absorption du Bi₂ O₂ Se nanofilms à l'énergie du photon incident. La quantité de puissance absorbée par une dalle de Bi₂ O₂ Se avec épaisseurΔx à distance x de la surface est dR _un =− (dP/dx)·Δx . Ensuite, la puissance totale absorbée par le Bi₂ O₂ Se film d'épaisseur d est R _un =P _dans ·(1 − e ^−α·d ). Pour α·d <<1, la puissance absorbée peut s'écrire R _un =P _dans ·α·d [16, 19]. Ici, l'épaisseur d de dans notre expérience est de 5 fois et 3 fois de Réf. [7] et Réf. [8], respectivement. En effet, le multicouche Bi₂ O₂ Se nanofilms dans notre travail aurait un meilleur R . Cependant, malgré l'augmentation de l'adsorption optique, les multicouches Bi₂ O₂ Ils présentent certains inconvénients, tels qu'une densité d'états plus élevée (DOS), provoquant ainsi plus d'états intermédiaires par rapport à la monocouche (ou couche mince) [13, 14]. Comme le montre la figure 4b, lorsque l'appareil passe de « l'état activé » à « l'état désactivé », les électrons excités dans les bandes supérieures du multicouche Bi₂ O₂ Se va d'abord transiter vers les états intermédiaires, puis revenir à la bande de masse [16, 17, 19]. En d'autres termes, la durée de vie du transporteur τ va inévitablement s'incliner. La même situation se produira lorsque l'appareil passera de « l'état éteint » à « l'état allumé ». Fait intéressant, par rapport aux travaux précédents, multicouche Bi₂ O₂ Les nanofilms Se ont toujours un temps de réponse rapide, ce qui est satisfait dans de nombreuses applications [1,2,3]. Cela signifie que l'existence d'états intermédiaires peut ne pas nuire aux performances dynamiques de Bi₂ O₂ Se nanofilms. Enfin, pour η grandement amélioré , deux raisons principales jouent un rôle central. Premièrement, les couches accrues améliorent l'absorbance des photons incidents. De plus, l'existence d'états intermédiaires permet plus de canaux de transition pour les électrons excités. Ainsi, η augmente considérablement [16, 19].

Conclusions

En résumé, nous avons présenté les propriétés photoélectriques des multicouches Bi₂ O₂ Photodétecteur basé sur Se (épaisseur ~ 30 nm). Multicouche Bi₂ O₂ Se démontre une photoréponse ultra-sensible de 850 à 1550 nm avec une bonne reproductibilité à température ambiante, y compris une photoréactivité élevée, un temps de réponse rapide, une efficacité quantique externe élevée et un taux de détection élevé. Les résultats indiquent que le multicouche Bi₂ O₂ Se a une photoréponse relativement meilleure que celle de la couche mince.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Abréviations

NIR :

Proche infrarouge

IR :

Infrarouge

TFT :

Transistor à couche mince

AFM :

Microscope à force atomique

SEM :

Microscope électronique à balayage

CVD :

dépôt chimique en phase vapeur

TMD :

Dichalcogénures de métaux de transition