Photodétecteur à longueur d'onde contrôlée basé sur une seule nanoceinture CdSSe

Contexte

Récemment, les nanomatériaux semi-conducteurs ont été largement étudiés en tant que dispositifs optoélectroniques, tels que les diodes électroluminescentes [1, 2], les dispositifs photovoltaïques [3], les cellules solaires [4, 5], l'électrocatalytique H₂ génération [6, 7] et photodétecteurs [8,9,10]. Le CdS et le CdSe sont des matériaux semi-conducteurs II-VI avec une bande interdite 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 les nanofils [13], les nanoceintures [14] et les nanotubes [15] ont été utilisées dans les capteurs et les photodétecteurs en raison de leurs rapports surface/volume élevés, de leurs propriétés physiques et chimiques [16]. Parmi elles, certaines nanostructures telles que ZnO [17], CdS [18], CdSe [19], MoS₂ [20], Zn _x Cd_1 − x Se [21], CdS_1 − x Se _x [22], et Zn _x Cd_1 − x S [23] ont été utilisés dans la fabrication de photodétecteurs. Pan et al. a signalé que le photodétecteur basé sur CdS_0.49 Se_0,51 /CdS_0.91 Se_0,09 l'hétérostructure a de bonnes performances [24]. Cependant, comment développer un détecteur à haute réponse et sélectivité avec d'excellentes performances reste un défi.

Dans ce travail, les nanoceintures CdSSe (NB) ont été synthétisées par évaporation thermique. Nous entreprenons la fabrication et la caractérisation d'un seul dispositif CdSSe. Après cela, les propriétés photoélectriques d'un seul dispositif CdSSe NB ont été systématiquement étudiées. Sur cette base, nous avons effectué la cathodoluminescence (CL) du CdSSe NB à température ambiante et à basse température et avons constaté que le CL est sensible aux défauts des CdSSe NB. Par conséquent, nous choisissons des nanoceintures avec des microstructures parfaites pour concevoir des dispositifs par CL afin qu'ils puissent atteindre nos propriétés souhaitées.

Méthodes

Préparation des nanoceintures CdSSe

Les NB monocristallins de CdSSe ont été préparés par évaporation thermique. Pour la synthèse des NB de CdSSe, le mélange de poudres de CdS pures (99,99 % en poids) et de poudres de CdSe (9,99 % en poids) prémélangées dans le rapport pondéral de 1:1 a été placé dans une nacelle en céramique. Le bateau en céramique a été placé au milieu du tube de quartz. Un substrat de silicium recouvert d'un film Au d'environ 10 nm a été placé dans le tube; la distance entre le substrat de silicium et le bateau en céramique était d'environ 5 à 7 cm. Le four a été chauffé à 820 °C et a ensuite été maintenu pendant 2 h. Enfin, le four s'est refroidi naturellement à température ambiante. Les nanoceintures de compositions différentes ont été déposées sur les différentes positions du substrat Si. Dans l'ensemble de l'expérience, le gaz Ar a été envoyé à 20 sccm et la pression à l'intérieur du tube a été maintenue à 112 Torr.

Caractérisation des matériaux

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

Fabrication du dispositif Nanobelt

Des électrodes Ti/Au ont été déposées aux deux extrémités d'une seule nanoceinture dispersée sur un substrat de Si avec un SiO₂ de 500 nm d'épaisseur couche, et puis, le dispositif a été atteint. Le processus de fabrication détaillé des dispositifs est référencé dans la littérature [25]. La partie découverte des nanoceintures a été exposée à la lumière incidente. La figure 1 est le schéma du test de l'appareil.

Un diagramme schématique de la configuration du détecteur

Caractérisation photoélectrique

La mesure des performances photoélectriques des nanoceintures a été réalisée par le système semi-conducteur Keithley 4200 et le spectromètre monochromatique. Le photocourant de l'appareil a été mesuré en changeant la lumière incidente irradiée verticalement sur l'appareil, et I –V courbes ont été réalisées par une mesure à deux sondes.

Résultats et discussion

La figure 2a montre une image SEM des NB CdSSe tels que préparés. On constate que les NB CdSSe ont une bonne morphologie et une largeur et des longueurs uniformes allant jusqu'à des centaines de micromètres. La figure 2b est une image SEM à fort grossissement des nanoceintures CdSSe. On observe que la nanoceinture est mince et uniforme avec 2,632 μm de largeur. La figure 2c et son encart présentent l'image en champ clair TEM et le modèle de diffraction sur zone sélectionnée (SAD) d'une seule nanoceinture d'une largeur de 2,94 μm et d'une épaisseur inférieure à 50 nm. Le motif SAD confirme la qualité du monocristal, et il peut être indexé sur une structure hexagonale avec des paramètres de maille a = 4.177 Å et c = 6,776 Å. L'image HRTEM correspondante est affichée sur la figure 2d, et l'espacement du réseau entre les plans adjacents est de 0,34 nm, correspondant au plan cristallin (110). En conséquence, sa direction de croissance est le long de [110].

Les images morphologiques des NB CdSSe. un SEM à faible grossissement. b MEB à fort grossissement. c SAD, en médaillon :son TEM. d HRTEM

L'EDX et la cartographie des nanoceintures CdSSe sont illustrés à la figure 3. L'image SEM d'un échantillon à de faibles multiples est affichée à la figure 3a. On observe que toute la région est recouverte de nanoceintures. La figure 3b représente les distributions totales de Cd, S et Se. Les mappages des éléments Cd, S et Se sont représentés respectivement sur la figure 3c–e. Il a révélé que le Cd, le S et le Se sont uniformément distribués dans l'ensemble des nanoceintures. Le spectre EDX collecté à partir des mêmes nanoceintures est présenté sur la figure 3f, indiquant que la nanoceinture est composée d'éléments Cd, S et Se.

Image SEM et mappages élémentaires des NB CdSSe. un SEM. b–e Mappages Cd, S et Se, respectivement. f EDX

Les diagrammes XRD et XPS des NB CdSSe sont présentés sur la figure 4. Tous les pics de diffraction peuvent être indexés sur une structure hexagonale de CdS_0.76 Se_0.24 avec des paramètres de maille a = 4.177 Å et c = 6.776 Å, ce qui est cohérent avec la carte standard (JCPDS n° 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°) correspondant au plan cristallin (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112) et (201), respectivement. Aucune autre impureté n'est détectée. Les pics de diffraction nets et étroits ont révélé que les nanoceintures de CdSSe obtenues ont une bonne cristallinité. La figure 4b montre les énergies de liaison de Cd3d_5/2 et Cd3d_3/2 pour les NB CdSSe à 404,8 et 411,7 eV, respectivement, qui sont proches des valeurs rapportées dans les travaux précédents [26]. La distance de séparation entre deux pics est de 6,9 eV, ce qui indique que les atomes de 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 sur la figure 4c. Le spectre électronique de valence de Se(3d) est représenté sur la figure 4d, dans laquelle un seul pic situé à 53,5 eV a été observé. Par conséquent, les résultats XPS confirment que les nanoceintures sont composées d'éléments Cd, S et Se.

Modèles XRD et spectres XPS des NB CdSSe. un XRD. b Spectre XPS de Cd(3d) superposé. c Spectre XPS haute résolution pour S(2p). d Spectre XPS haute résolution pour Se(3d)

La figure 5 est le spectre de photoluminescence des nanoceintures CdSSe ; il y a deux pics dans la plage de 500 à 1 000 nm. L'un est centré à 603 nm et provient de l'émission NBE (near-band-edge) des nanoceintures CdSSe. L'autre centrée à ~ 950 nm peut être liée à une émission à un niveau profond, qui est observée dans In₂ Voir₃ et Ga₂ Voir₃ [28, 29].

Les spectres d'émission PL des NB CdSSe

Les images SEM et CL de la nanoceinture CdSSe unique sont décrites dans la Fig. 6a, b. Il a élucidé que la surface des nanoceintures est plate et lisse et que la luminosité est hétérogène sur toute sa longueur. La figure 6c, d est la résolution spatiale des spectres CL de la même nanoceinture à température ambiante (295 K) et à basse température (93 K). Il a mis en évidence que les intensités CL de la caractéristique NBE sur CdSSe NB sont différentes d'un point à l'autre, et leur rapport signal sur bruit n'est pas bon à 295 K, alors que les CL sont fortes avec des intensités différentes d'un point à l'autre à 93 K. Ce résultat est en bon accord avec l'image CL. De plus, le pic caractéristique est situé 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 CdSSe NB a de bonnes propriétés luminescentes à basse température.

Images SEM et CL d'un seul NB CdSSe. un SEM. b CL. c CL à 295 K. d CL à 93 K

La figure 7a est l'image SEM du nanodispositif, qui a visualisé que le CdSSe NB n'est pas uniforme en largeur. Les largeurs du NB mesuré sont de 30,85 et 36 μm et la longueur est de 9,754 μm, comme indiqué sur la Fig. 7a. Le Je –V Les caractéristiques du dispositif CdSSe NB sont présentées sur la figure 7b dans des conditions sombres et un éclairage en lumière blanche avec une densité de puissance de 43,14 mW/cm ² . Comme on peut le voir, le photocourant augmente considérablement sous l'irradiation de lumière blanche, car la lumière incidente produit des paires électron-trou, améliorant ainsi le photocourant. La forme linéaire de I –V indiquait que de bons contacts ohmiques entre les électrodes CdSSe NB et 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 du photocourant au courant d'obscurité est de 816. La figure 7c est le I –V courbe obtenue après avoir pris le logarithme et constaté que le photocourant est supérieur de trois ordres de grandeur à son courant d'obscurité.

Image SEM et I –V courbes d'un seul détecteur CdSSe NB. un SEM. b Je –V courbes dans des conditions sombres et éclairage en lumière blanche avec une densité de puissance de 43,14 mW/cm ² . c Je –V graphique obtenu après prise de logarithme

Pour explorer davantage les propriétés photoélectroniques des dispositifs, nous avons mesuré le photocourant d'un seul dispositif CdSSe NB, comme le montre la figure 8. À une tension de polarisation appliquée de 1 V, la réponse spectrale du dispositif dans la plage de 600 à 800 nm est affiché sur la figure 8a. On voit que la réponse est très forte lorsque la longueur d'onde est inférieure à 674 nm, puis devient de plus en plus faible lorsque la longueur d'onde est supérieure à 674 nm. La figure 8b présente le I mesuré –V courbe sous un éclairage de 674 nm avec différentes densités de puissance. On constate que le photocourant augmente avec l'augmentation de la densité de puissance, ce qui implique que l'efficacité du porteur photogénéré est proportionnelle au nombre de photons absorbés [30]. Le tracé logarithmique correspondant à la figure 8b est mis en évidence sur la figure 8c. Il a révélé que le dispositif CdSSe NB a la meilleure réponse à une densité de puissance de 6,11 mW/cm ² . La figure 8d est la relation entre le photocourant et la densité de puissance optique. En ajustant la valeur du photocourant dépendant de la densité de puissance de I _p = PA ^θ , où Je _p 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 photocourante avec la puissance [31], un bon ajustement des résultats expérimentaux a été obtenu avec θ = 0.69. Les rapports sur un exposant non unitaire avec 0,5 < θ < 1 suggèrent un processus complexe de génération, de recombinaison et de piégeage d'électrons-trous dans le matériau photoactif [32], tandis que la dépendance en intensité avec θ < 0,5 peut survenir en raison de mécanismes défectueux, y compris à la fois des centres de recombinaison et des pièges. Par conséquent, θ = 0.69 signifie que la nanoceinture CdSSe n'a pas de défauts, ce qui est en accord avec celui de HRTEM et CL.

Les propriétés de photoréponse du détecteur du détecteur CdSSe NB. un Photoréponse spectrale mesurée avec un biais de 1 V. b Je –V courbe à la longueur d'onde d'excitation de 674 nm, une tension de polarisation de 1 V et différentes densités de puissance. c Le tracé logarithmique de b . d La relation entre le photocourant et la densité de puissance optique

Il est bien connu que la réactivité spectrale (R _λ ) et l'efficacité quantique externe (EQE) sont des paramètres critiques pour les dispositifs optiques, qui peuvent être définis comme R _λ = Je _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 la nanoceinture, S est la zone éclairée effective, 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 le R correspondant _λ et les valeurs EQE du dispositif CdSSe NB sont de 10,4 A/W et de 19,1 %.

La figure 9a montre la réponse temporelle du détecteur CdSSe NB, qui est mesurée en allumant et éteignant périodiquement la lumière à 674 nm avec une intensité de 4,87 mW/cm ² à une tension de polarisation de 1 V. De là, nous pouvons voir que le dispositif CdSSe NB présente une bonne stabilité réversible sur les propriétés de commutation. La figure 9b est le front de montée et de décroissance de la tension d'une résistance mesurée par l'oscilloscope. Il reflète le temps de montée et le temps de décroissance de la photoconductance du CdSSe NB. Avec et sans éclairage de 674 nm (4,87 mW/cm ² ), la tension des variations résistantes varie. On voit que le temps de montée/décroissance est de 1,62/4,70 ms, respectivement. Nous avons comparé des paramètres importants de notre photodétecteur avec ceux d'autres photodétecteurs basés sur une seule nanoceinture ou nanofeuille (NS). On constate que le R _λ du dispositif CdSSe NB dans ce travail est plus grand que celui d'autres photodétecteurs à nanostructure tels que CdS [34] et ZnS NB [35], BiO₂ Se [36], GaSe [37], SnS [38] et Bi₂ S₂ N.-É. [39]. Le temps de décroissance est plus court que celui du ZnS NB [35] et du GaSe NS [37], mais plus long que celui des autres [34, 36, 38, 39], comme résumé dans le tableau 1, confirmant ainsi l'application potentielle du CdSSe NB pour le champ photodétective.

Propriétés en temps réel d'un seul photodétecteur CdSSe NB sous un éclairage de 674 nm avec 4,87 mW/cm ² densité de puissance sous 1 V de polarisation. un Je –t caractéristiques avec interrupteur marche/arrêt. b Le front de montée et de décroissance de la tension d'une réponse impulsionnelle

Conclusions

En résumé, les NB CdSSe ont été cultivés dans un four à haute température par évaporation thermique. Les nanoceintures obtenues ont été caractérisées par diverses méthodes. On constate que les NB CdSSe ont une microstructure parfaite sans aucun défaut et que les nanoceintures sont composées d'éléments Cd, Se et S. Les résultats du CL ont révélé que l'intensité de la nanoceinture de CdSSe unique à basse température (93 K) est plus forte qu'à température ambiante (295 K) et que le rapport signal/bruit est meilleur à 93 K. Après cela, nous avons développé le photodétecteur CdSSe basé sur sur un seul NB et étudié ses propriétés optoélectroniques. Le détecteur a atteint des performances élevées avec une réactivité de 10,4 A/W, un temps de montée/décroissance de 1,62/4,70 ms et un rendement quantique externe (EQE) de 19,1 % à 674 nm, qui présente une bonne stabilité et répétabilité des propriétés photoélectroniques. Ce travail ouvre la voie au développement d'un 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 :

Nanoceinture

NBE :

Bord de bande proche

NS :

Nanofeuille

PL :

Photoluminescence

R _λ :

Réactivité

TRIS :

Diffraction sur zone sélectionnée

SEM :

Microscopie électronique à balayage (MEB)

TEM :

Microscopie électronique à transmission

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

XRD :

Diffraction des rayons X