Photodétecteur sélectif en longueur d'onde haute performance utilisant un unique nanoruban CdSSe

Résumé

Des nanorubans (NR) de CdSSe sont synthétisés par évaporation thermique et caractérisés par microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction des rayons X (DRX), microscopie électronique à transmission (MET), microscopie électronique à haute résolution (HRTEM), spectroscopie photoélectronique X (XPS), photoluminescence (PL) et cathodoluminescence (CL). Il est trouvé que les NR CdSSe ont une bonne morphologie et microstructure sans défauts. La CL est sensible aux défauts des NR CdSSe ; ainsi, nous pouvons sélectionner un nanoruban unique avec émission CL homogène pour préparer un détecteur. Sur cette base, le photodétecteur à nanoruban CdSSe unique a été développé et ses propriétés photoélectriques étudiées en détail. Il est trouvé que sous illumination de lumière blanche et à une tension de polarisation de 1 V, le photocourant d'un dispositif à nanoruban CdSSe unique est de 1,60 × 10⁻⁷ A, le courant d'obscurité est de 1,96 × 10⁻¹⁰ A, et le rapport courant lumière/obscurité est de 816. En outre, le détecteur à nanoruban CdSSe a une haute performance photoélectrique avec une responsivité spectrale de 10,4 A W⁻¹ et une efficacité quantique externe (EQE) de 19,1 %. Son temps de montée/décroissance est d'environ 1,62/4,70 ms. Ce travail offre une nouvelle stratégie pour la conception de photodétecteurs à contrôle de longueur d'onde en ajustant leur composition.

Contexte

Récemment, les nanomatériaux semi-conducteurs ont été largement étudiés comme dispositifs optoélectroniques, tels que diodes électroluminescentes [1, 2], dispositifs photovoltaïques [3], cellules solaires [4, 5], génération électrocatalytique d'H₂ [6, 7] et photodétecteurs [8,9,10]. Le CdS et le CdSe sont des matériaux semi-conducteurs II-VI avec des bandes interdites à température ambiante de 2,42 et 1,74 eV, respectivement. Ils sont considérés comme les meilleurs matériaux pour la fabrication de photodétecteurs en raison de leur bande interdite correspondant à la longueur d'onde d'absorption dans la région de la lumière visible [11, 12].

Les nanostructures unidimensionnelles telles que nanofils [13], nanorubans [14] et nanotubes [15] ont été utilisées dans les capteurs et photodétecteurs en raison de leurs rapports surface/volume élevés, propriétés physiques et chimiques [16]. Parmi eux, certaines nanostructures telles que ZnO [17], CdS [18], CdSe [19], MoS₂ [20], ZnₓCd₁₋ₓSe [21], CdS₁₋ₓSeₓ [22] et ZnₓCd₁₋ₓS [23] ont été utilisées dans la fabrication de photodétecteurs. Pan et al. ont rapporté que le photodétecteur basé sur l'hétérostructure CdS₀.₄₉Se₀.₅₁/CdS₀.₉₁Se₀.₀₉ a une bonne performance [24]. Cependant, comment développer un détecteur à haute réponse et sélectivité avec une excellente performance reste un défi.

Dans ce travail, les nanorubans (NR) CdSSe étaient synthétisés par évaporation thermique. Nous entreprenons la fabrication et la caractérisation de dispositif CdSSe unique. Après cela, les propriétés photoélectriques du dispositif à nanoruban CdSSe unique étaient systématiquement investiguées. Sur cette base, nous avons réalisé la cathodoluminescence (CL) des NR CdSSe à température ambiante et basse température et avons trouvé que la CL est sensible aux défauts des NR CdSSe. Par conséquent, nous choisissons des nanorubans avec microstructures parfaites pour concevoir des dispositifs par CL afin qu'ils puissent atteindre nos propriétés souhaitées.

Méthodes

Préparation des nanorubans CdSSe

Les NR CdSSe monocristallins étaient préparés par évaporation thermique. Pour la synthèse des NR CdSSe, le mélange de poudres pures de CdS (99,99 % en poids) et CdSe (9,99 % en poids) pré-mélangés dans un rapport de poids 1:1 était placé dans une barquette en céramique. La barquette en céramique était placée au milieu du tube de quartz. Un substrat silicium recouvert d'un film Au d'environ 10 nm était placé dans le tube ; la distance entre le substrat silicium et la barquette en céramique était d'environ 5–7 cm. Le four était chauffé à 820 °C et maintenu pendant 2 h. Finalement, le four refroidissait naturellement à température ambiante. Les nanorubans avec différentes compositions étaient déposés sur différentes positions du substrat Si. Dans toute l'expérience, le gaz Ar était flux à 20 sccm, et la pression à l'intérieur du tube était maintenue à 112 Torr.

Caractérisation des matériaux

La morphologie, la structure et la composition des nanorubans étaient caractérisées par microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction des rayons X (DRX), microscopie électronique à transmission (MET), microscopie électronique à haute résolution (HRTEM) et spectroscopie photoélectronique X (XPS). Les spectres PL étaient mesurés sous excitation laser 532 nm. Les spectres CL des NR CdSSe étaient mesurés à température ambiante et basse température par un système de cathodoluminescence (CL) (Gatan monocle CL4) installé sur la microscopie électronique à balayage (Quanta FEG 250).

Fabrication du dispositif à nanoruban

Des électrodes Ti/Au étaient déposées aux deux extrémités d'un nanoruban unique dispersé sur substrat Si avec une couche SiO₂ de 500 nm d'épaisseur, et le dispositif était obtenu. Le processus de fabrication détaillé des dispositifs est référencé dans la littérature [25]. La partie non couverte des nanorubans était exposée à la lumière incidente. La Figure 1 est le schéma du test de dispositif.

Caractérisation photoélectrique

La mesure de la performance photoélectrique des nanorubans était réalisée par un système semi-conducteur Keithley 4200 et un spectromètre monochromatique. Le photocourant du dispositif était mesuré en changeant la lumière incidente irradiée verticalement sur le dispositif, et les courbes I–V étaient effectuées par une mesure à deux pointes.

Résultats et discussion

La Figure 2a montre une image MEB des NR CdSSe préparés. Il est trouvé que les NR CdSSe ont une bonne morphologie et une largeur uniforme et des longueurs jusqu'à des centaines de micromètres. La Figure 2b est une image MEB à haut grossissement des nanorubans CdSSe. Il est observé que le nanoruban est fin et uniforme avec 2,632 µm de largeur. La Figure 2c et son encart présentent l'image en champ clair MET et le motif de diffraction de zone sélectionnée (SAD) d'un nanoruban unique avec une largeur de 2,94 µm et une épaisseur de moins de 50 nm. Le motif SAD confirme la qualité monocristalline, et il peut être indexé à une structure hexagonale avec des paramètres de réseau a = 4,177 Å et c = 6,776 Å. L'image HRTEM correspondante est affichée en Fig. 2d, et l'espacement de réseau entre plans adjacents est de 0,34 nm, correspondant au plan cristallin (110). En conséquence, sa direction de croissance est le long de [110].

L'EDX et le mapping des nanorubans CdSSe sont montrés en Fig. 3. L'image MEB d'un échantillon à bas grossissement est affichée en Fig. 3a. Il est observé que toute la région est couverte de nanorubans. La Figure 3b est la distribution totale de Cd, S et Se. Les mappings des éléments Cd, S et Se sont dépeints en Fig. 3c–e, respectivement. Il est révélé que Cd, S et Se sont uniformément distribués dans l'ensemble des nanorubans. Le spectre EDX collecté des mêmes nanorubans est présenté en Fig. 3f, indiquant que le nanoruban est composé d'éléments Cd, S et Se.

Le diagramme DRX et le motif XPS des NR CdSSe sont présentés en Fig. 4. Tous les pics de diffraction peuvent être indexés à une structure hexagonale de CdS₀.₇₆Se₀.₂₄ avec des paramètres de réseau a = 4,177 Å et c = 6,776 Å, ce qui est cohérent avec la fiche standard (JCPDS no. 49-1459). Les positions des pics de diffraction (2θ = 24,72°, 26,35°, 28,13°, 36,42°, 43,47°, 47,5°, 50,4°, 51,4° et 52,4°) correspondaient aux plans cristallins (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) et (201), respectivement. Aucune autre impureté n'est détectée. Les pics de diffraction nets et étroits révèlent que les nanorubans CdSSe obtenus ont une bonne cristallinité. La Figure 4b montre les énergies de liaison de Cd3d₅/₂ et Cd3d₃/₂ pour les NR CdSSe à 404,8 et 411,7 eV, respectivement, qui sont proches des valeurs rapportées dans le travail précédent [26]. La distance de séparation entre les deux pics est de 6,9 eV, indiquant que les atomes Cd sont dans la phase CdS complète [27]. La déconvolution du pic S(2p) montre deux pics gaussiens, centrés à 160,7 et 165,1 eV en Fig. 4c. Les spectres d'électrons de valence de Se(3d) sont dépeints en Fig. 4d, dans lequel un seul pic localisé à 53,5 eV est observé. Par conséquent, les résultats XPS confirment que les nanorubans sont composés d'éléments Cd, S et Se.

La Figure 5 est le spectre de photoluminescence des nanorubans CdSSe ; il y a deux pics dans la gamme de 500–1000 nm. L'un est centré à 603 nm provenant de l'émission de bord de bande proche (NBE) des nanorubans CdSSe. L'autre centré à ~950 nm peut être lié à l'émission de niveau profond, qui est observée dans In₂Se₃ et Ga₂Se₃ [28, 29].

Les images MEB et CL du nanoruban CdSSe unique sont décrites en Fig. 6a, b. Il est élucidé que la surface des nanorubans est plate et lisse et la luminosité est hétérogène le long de sa longueur. La Figure 6c, d est le spectre CL à résolution spatiale du même nanoruban à température ambiante (295 K) et basse température (93 K). Il est mis en évidence que les intensités CL de la NBE caractéristique sur le NR CdSSe sont différentes de point en point, et leur rapport signal/bruit n'est pas bon à 295 K, tandis que les CL sont forts avec différentes intensités de point en point à 93 K. Ce résultat est en bon accord avec l'image CL. En outre, le pic caractéristique est localisé à 625 nm, aucune émission de défaut n'est observée, et l'intensité à 93 K est environ 220 fois plus forte qu'à 295 K. Par conséquent, le NR CdSSe a de bonnes propriétés luminescentes à basse température.

La Figure 7a est l'image MEB du nanodispositif, qui visualise que le NR CdSSe n'est pas uniforme en largeur. Les largeurs du NR mesuré sont 30,85 et 36 µm et la longueur est 9,754 µm, comme marqué en Fig. 7a. Les caractéristiques I–V du dispositif NR CdSSe sont exhibées en Fig. 7b sous conditions d'obscurité et illumination de lumière blanche avec densité de puissance de 43,14 mW/cm². Comme on peut le voir, le photocourant augmente grandement sous l'irradiation de lumière blanche, car la lumière incidente produit des paires électron-trou, améliorant ainsi le photocourant. La forme linéaire de la courbe I–V indiquait que de bons contacts ohmiques entre le NR CdSSe et les électrodes Ti/Au étaient formés. Le photocourant est de 1,6 × 10⁻⁷ A, et le courant d'obscurité est d'environ 1,96 × 10⁻¹⁰ A. Par conséquent, le rapport photocourant/courant d'obscurité est 816. La Figure 7c est la courbe I–V obtenue après prise de logarithme et a trouvé que le photocourant est plus élevé de trois ordres de grandeur que son courant d'obscurité.

Pour explorer davantage les propriétés photoélectroniques des dispositifs, nous avons mesuré le photocourant d'un dispositif à nanoruban CdSSe unique, comme montré en Fig. 8. À une tension de polarisation appliquée de 1 V, la réponse spectrale du dispositif dans la gamme de 600 à 800 nm est affichée en Fig. 8a. Il est vu que la réponse est très forte tant que la longueur d'onde est inférieure à 674 nm, et devient ensuite de plus en plus faible lorsque la longueur d'onde est supérieure à 674 nm. La Figure 8b présente la courbe I–V mesurée sous illumination de lumière 674 nm avec différentes densités de puissance. Il est trouvé que le photocourant augmente avec l'augmentation de la densité de puissance, impliquant que l'efficacité des porteurs photogénérés est proportionnelle au nombre de photons absorbés [30]. Le graphique logarithmique correspondant à la Fig. 8b est mis en évidence en Fig. 8c. Il a révélé que le dispositif NR CdSSe a la meilleure réponse à une densité de puissance de 6,11 mW/cm². La Figure 8d est la relation entre le photocourant et la densité de puissance optique. En ajustant la valeur de photocourant dépendante de la densité de puissance de Iₚ = AP^θ, où Iₚ est le photocourant, P est la densité de puissance optique, A est la constante dépendante de la longueur d'onde, l'exposant θ détermine la réponse du photocourant avec la puissance [31], un bon ajustement des résultats expérimentaux a été obtenu avec θ = 0,69. Les rapports sur un exposant non-unité avec 0,5 < θ < 1 suggèrent un processus complexe de génération, recombinaison et piégeage d'électron-trou dans le matériau photoactif [32], tandis que la dépendance d'intensité avec θ < 0,5 peut survenir en raison de mécanismes de défauts, incluant à la fois centres de recombinaison et pièges. Par conséquent, θ = 0,69 signifie que le nanoruban CdSSe n'a pas de défauts, ce qui est en accord avec celui par HRTEM et CL.

Il est bien connu que la responsivité spectrale (R_λ) et l'efficacité quantique externe (EQE) sont des paramètres critiques pour les dispositifs optiques, qui peuvent être définis comme R_λ = I_ph/(P_λ S) et EQE = hcR_λ/(qλ), où I_ph est la différence entre le photocourant et le courant d'obscurité, P_λ est la densité de puissance lumineuse irradiée sur le nanoruban, S est la surface effective illuminée, c est la vitesse de la lumière, h est la constante de Planck, q est la charge électronique, et λ est la longueur d'onde d'excitation [33, 34]. Nous avons calculé les valeurs correspondantes de R_λ et EQE du dispositif NR CdSSe sont 10,4 A/W et 19,1 %.

La Figure 9a montre la réponse temporelle du détecteur NR CdSSe, qui est mesurée en allumant et éteignant périodiquement la lumière 674 nm avec une intensité de 4,87 mW/cm² à une tension de polarisation de 1 V. De cela, nous pouvons voir que le dispositif NR CdSSe exhibe une bonne stabilité réversible sur les propriétés de commutation. La Figure 9b est le front de montée et de décroissance de tension d'une résistance mesurée par l'oscilloscope. Elle reflète le temps de montée et de décroissance de la photoconductance du NR CdSSe. Avec et sans illumination de lumière 674 nm (4,87 mW/cm²), la tension de la résistance change varie. Il est vu que le temps de montée/décroissance est 1,62/4,70 ms, respectivement. Nous avons comparé les paramètres importants de notre photodétecteur avec ceux d'autres basés sur nanoruban unique ou nanofeuille (NF). Il est trouvé que le R_λ du dispositif NR CdSSe dans ce travail est plus grand que celui d'autres photodétecteurs à nanostructures tels que CdS [34] et ZnS NR [35], BiO₂Se [36], GaSe [37], SnS [38] et Bi₂S₂ NF [39]. Le temps de décroissance est plus court que celui de ZnS NR [35] et GaSe NF [37], mais plus long que celui d'autres [34, 36, 38, 39], comme résumé dans le Tableau 1, confirmant ainsi l'application potentielle du NR CdSSe pour le domaine photodétecteur.

Conclusions

En résumé, les NR CdSSe ont été cultivés dans un four à haute température par évaporation thermique. Les nanorubans obtenus étaient caractérisés par diverses méthodes. Il est trouvé que les NR CdSSe ont une microstructure parfaite sans aucun défaut et les nanorubans sont composés d'éléments Cd, Se et S. Les résultats CL ont révélé que l'intensité d'un nanoruban CdSSe unique à basse température (93 K) est plus forte qu'à température ambiante (295 K), et le rapport signal/bruit est meilleur à 93 K. Après cela, nous avons développé le photodétecteur CdSSe basé sur NR unique et étudié ses propriétés optoélectroniques. Le détecteur a atteint une haute performance avec une responsivité de 10,4 A/W, un temps de montée/décroissance de 1,62/4,70 ms, et une efficacité quantique externe (EQE) de 19,1 % à 674 nm, qui a une bonne stabilité et répétabilité dans les propriétés photoélectroniques. Ce travail pave la voie vers le développement de photodétecteur visible à longueur d'onde continue en ajustant sa composition.

Abréviations

CL:

Cathodoluminescence

EDX:

Rayons X à dispersion d'énergie

EQE:

Efficacité quantique externe

HRTEM:

Microscopie électronique à haute résolution

NB:

Nanoruban

NBE:

Bord de bande proche

NS:

Nanofeuille

PL:

Photoluminescence

R_λ:

Responsivité

SAD:

Diffraction de zone sélectionnée

SEM:

Microscopie électronique à balayage (MEB)

TEM:

Microscopie électronique à transmission

XPS:

Spectroscopie photoélectronique X

XRD:

Diffraction des rayons X