Nanofeues Bi₂O₂Se offrant une photodétection proche infrarouge exceptionnelle : 101 A/W responsivité, 30 ms temps de réponse, 20 300 % efficacité quantique

Résumé

Les propriétés photoélectriques proche infrarouge (NIR) de nanofeues multicouches de Bi₂O₂Se ont été étudiées systématiquement dans cet article. Les nanofeues multicouches de Bi₂O₂Se démontrent une photoréponse sensible au NIR, incluant une photoresponsivité élevée (~ 101 A/W), un temps de réponse rapide (~ 30 ms), une efficacité quantique externe élevée (~ 20 300 %), et un taux de détection élevé (1,9 × 10¹⁰ Jones). Ces résultats montrent que le dispositif basé sur des nanofeues multicouches de Bi₂O₂Se pourrait avoir un grand potentiel pour de futures applications dans les dispositifs optoélectroniques NIR ultrasensibles et ultra-rapides.

Contexte

Les photodétecteurs infrarouges (IR) ont été largement étudiés et recherchés depuis leurs applications délicates dans les domaines militaire, commercial, public et académique [1,2,3]. Au cours de la dernière décennie, les matériaux bidimensionnels (2D), par exemple le graphène, les dichalcogénures de métaux de transition (TMDs) et le phosphore noir, ont émergé comme candidats prometteurs avec un grand potentiel pour les applications infrarouges [4,5,6,7,8,9]. En raison des propriétés intrigantes des matériaux 2D, incluant l'épaisseur ultramince, la flexibilité mécanique élevée, le gap de bande approprié et ajustable, les caractéristiques optoélectroniques ultra-rapides et les hétérostructures de van der Waals facilement modulables, les matériaux 2D en couches ont été considérés comme des milieux IR compétitifs pour les photodétecteurs de prochaine génération [10,11,12].

Très récemment, l'oxyséléniure de bismuth en couches (Bi₂O₂Se) a été découvert comme un semi-conducteur 2D prometteur avec une mobilité électronique élevée, une photoréponse ultra-rapide, une excellente stabilité environnementale et une accessibilité facile à une production à grande échelle via une méthode facile de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le rendant attractif pour les applications électroniques et optoélectroniques [7, 8, 13,14,15]. Précédemment, He Jun et al. [7] et Peng Hailin et al. [8] ont successivement rapporté que Bi₂O₂Se possédait d'excellentes propriétés photoélectriques pour le proche infrarouge (NIR). Cependant, ils se concentraient principalement sur le Bi₂O₂Se en couches minces (épaisseur ~ 7 nm). Des études antérieures concernant d'autres matériaux 2D, tels que MoS₂ [16] et MoSe₂ [17, 18], ont montré que les nanofeuilles multicouches possédaient également une performance photoélectrique extraordinaire comparée aux monocouches ou couches minces. En fait, le Bi₂O₂Se multicouche peut être plus attractif que le Bi₂O₂Se en couches minces pour les applications FET dans la configuration transistor à film mince (TFT) [16, 19]. Par exemple, la densité d'états dans le Bi₂O₂Se multicouche est bien plus élevée que dans le Bi₂O₂Se en couches minces, ce qui peut produire des courants de commande considérablement élevés dans la limite balistique [13, 14]. Dans les TFT à canal long, de multiples canaux conducteurs peuvent être créés par effets de champ dans le Bi₂O₂Se multicouche, ce qui peut augmenter le courant de commande des TFT, de manière similaire aux MOSFETs silicium-sur-isolant [19]. De plus, le Bi₂O₂Se multicouche offre une réponse spectrale plus large que le Bi₂O₂Se en couches minces, en raison de son gap de bande plus étroit, ce qui peut être avantageux dans une variété d'applications de photodétecteurs [20]. Pourtant, les photodétecteurs basés sur le Bi₂O₂Se multicouche n'ont pas été largement étudiés pour une utilisation en électronique ou optoélectronique.

Par conséquent, les propriétés photoélectriques NIR du Bi₂O₂Se multicouche (épaisseur ~ 30 nm) ont été étudiées systématiquement dans cet article. Le photodétecteur basé sur le Bi₂O₂Se multicouche démontre une photoréponse ultra-sensible de 850 à 1550 nm avec une bonne reproductibilité à température ambiante. Sa photoresponsivité 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. Comparé au Bi₂O₂Se en couches minces, le Bi₂O₂Se multicouche a une photoresponsivité 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 par rapport à la puissance incidente, offrant une bonne capacité de réglage pour des applications multi-usages. Ces résultats offrent des opportunités pour développer la prochaine génération de photodétecteurs NIR ultra-sensibles et haute performance à température ambiante.

Méthodes

Croissance et caractérisation de Bi₂O₂Se

Les nanofeues de Bi₂O₂Se ont été synthétisées via une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Bi₂O₃ et Bi₂Se₃ (Alfa Aesar) étaient placés au centre du four tubulaire horizontal (Lindberg/Blue M), et les substrats de mica (Tiancheng Fluorphlogopite Mica Company Ltd., Chine) étaient 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. Finalement, le four a été refroidi jusqu'à la température ambiante naturellement. 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) et microscope électronique à balayage (société FEI). Ici, 10 nm d'aluminium ont d'abord été évaporés thermiquement pour éviter l'effet de charge du substrat de mica avant la caractérisation MEB.

Fabrication du dispositif

Le photodétecteur basé sur le Bi₂O₂Se multicouche a été fabriqué par une technologie micro-nano standard. Les contacts source et drain ont été définis par lithographie à faisceau d'électrons et suivis du dépôt d'une pile métallique 5 nm Cr/50 nm Au par évaporation à faisceau d'électrons. Notez que, afin d'empêcher l'accumulation de charge sur le substrat de mica pendant le processus EBL, un photorésistif polymère conducteur (SX AR-PC-5000) a été déposé par centrifugation sur le mica avant le processus EBL. Finalement, le dispositif a été collé sur le support de puce pour des mesures photoélectriques ultérieures.

Mesure de performance

Les mesures de photocourant ont été effectuées par une plateforme de photodétection à lampe xénon maison (source lumineuse : BETICAL HDL-II). Dans la mesure, un Keithley 2450 a été utilisé pour fournir le biais source-drain. En allumant/éteignant la lumière, les courants de drain aux états allumé/éteint ont été collectés. La réponse photoélectrique du dispositif à différentes longueurs d'onde (850–1550 nm) a pu être obtenue en substituant différents filtres.

Résultats et discussion

Comme l'illustre la Fig. 1a, le Bi₂O₂Se en couches montre une structure tétragonale avec le groupe d'espace I4/mmm, et se compose de couches d'oxyde liées covalentement planarité (Bi₂O₂) intercalées par des réseaux carrés de Se avec des interactions électrostatiques relativement faibles [21]. Ce type de structure est similaire au mica. Par conséquent, les nanofeues 2D de Bi₂O₂Se sont toutes synthétisées sur le substrat de mica par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) jusqu'à présent [7, 14, 15]. La Fig. 1b illustre une vue optique de grande surface des nanofeues de Bi₂O₂Se multicouches telles que cultivées sur le mica. On voit clairement que les nanofeues sont uniformes et présentent presque des formes rectangulaires. Une image de microscope à force atomique (AFM) des nanofeues de Bi₂O₂Se dans notre expérience est montrée à la Fig. 1c. Selon l'épaisseur théorique de monocouche (≈ 0,61 nm) [14, 15], 30 nm (Fig. 1d) équivaut à l'épaisseur d'environ 49 couches. La Fig. 1e montre les diagrammes XRD des nanofeues de Bi₂O₂Se. Des pics discernables sont tous attribués aux plans de diffraction (00l) de Bi₂O₂Se (l'orientation cristalline est le long de l'axe c), cohérents avec les études précédentes [14]. Le pic caractéristique A_1g de Bi₂O₂Se 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 Fig. 1g montre la courbe I-V typique du dispositif Bi₂O₂Se. L'excellente courbe I-V linéaire indique que les contacts ohmiques sont formés. De plus, le photodétecteur basé sur le Bi₂O₂Se 2D démontre une excellente stabilité environnementale, qui est une métrique clé pour de futures applications pratiques [14, 15]. De la Fig. 1h, la longueur et la largeur mesurées du dispositif sont de 29 µm et 91 µm respectivement.

Comme le montre la Fig. 2a, la réponse photoélectrique du photodétecteur basé sur le Bi₂O₂Se multicouche au NIR a été mesurée délibérément. Ici, nous discutons principalement la performance du dispositif dans la bande de télécommunication (1550 nm), qui est largement appliquée dans les domaines militaire, commercial, public et académique. On peut voir sur la Fig. 2b que I_DS augmente évidemment à mesure que l'intensité lumineuse augmente. De plus, la courbe I-V du dispositif sous illumination ne démontre pas de tension de circuit ouvert et de courant de court-circuit apparents. Ce fait indique que la barrière de Schottky formée entre l'électrode et le matériau ne joue pas un rôle crucial dans la caractéristique de transport du dispositif. Par conséquent, la réponse photoélectrique du matériau devrait principalement provenir de l'effet photoconductif [10].

Pour évaluer la performance des photodétecteurs, la photoresponsivité (R), l'efficacité quantique externe (η) et la détectivité (D*) sont des paramètres critiques qui peuvent être calculés par les formules suivantes [10, 17] :

$$ R={I}_{ph}/ PS $$ (1)

$$ \eta \left(\lambda \right)={R}_{\lambda } hc/ q\lambda $$ (2)

$$ {D}^{\ast }={I}_{ph}/P{\left(2 qS{I}_d\right)}^{1/2} $$ (3)

où I_ph est le photocourant (la différence du courant de drain entre les états illuminé (I_i) et obscur (I_d)), 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 obscur est le contributeur principal au bruit de tir, ainsi déduisons l'équation (3) [7]. Cette simplification a été utilisée pour évaluer la photoréponse de matériaux 2D en couches, comme le graphène [23] et WSe₂ [24].

Comme on peut le voir sur la Fig. 2c, le dispositif a une photoréponse très stable et reproductible à la 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 les nanofeues de Bi₂O₂Se ultraminces telles que cultivées n'ont pas d'états de pièges de surface et de niveaux d'énergie de défauts peu profonds. Finalement, comme montré à la Fig. 2d, I_ph augmente monotonicement avec P augmentant, suivant une relation I~P^α. Ici, α est déduit à 0,99 pour Bi₂O₂Se en ajustant les données expérimentales, suggérant que le photocourant est principalement déterminé par les quantités de photons absorbés [7]. La photoresponsivité des photodétecteurs basés sur le Bi₂O₂Se multicouche est d'environ 68 A/W, ce qui présente une performance extrêmement élevée en tant que photodétecteur.

Ensuite, la performance de réponse photoélectrique du photodétecteur basé sur le Bi₂O₂Se multicouche aux longueurs d'onde NIR (850–1550 nm) a été étudiée systématiquement. Selon le calcul par les formules énoncées (1)–(3), la photoresponsivité, l'efficacité quantique externe et la détectivité sont démontrées à la Fig. 3. On peut constater que le dispositif a une photoresponsivité très élevée pour la bande NIR, qui atteint 101 A/W (900 nm). De plus, le photodétecteur basé sur le Bi₂O₂Se multicouche possède une η ultra-élevée, qui dépasse 20 000 % à 850 nm, indiquant sa capacité excellente de conversion photoélectrique. Son taux de détection peut atteindre 1,9 × 10¹⁰ à 900 nm, montrant un rapport signal/bruit parfait en tant que photodétecteur. Dans notre mesure, le courant obscur du dispositif maintient toujours 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, comparé au Bi₂O₂Se en couches minces rapporté par Ref. [7] et Ref. [8], le Bi₂O₂Se multicouche a une responsivité photoélectrique et une efficacité quantique externe plus élevées (tension de biais source-drain, 1 V, qui est la même que Ref. [7] et Ref. [8]), tout en conservant un temps de réponse relativement rapide et un taux de détection élevé. Notablement, Ref. [8] n'a rapporté que le temps de réponse intrinsèque (1 ps) du matériau par la technique pompe-sonde mais sans temps de réponse du dispositif des photodétecteurs Bi₂O₂Se [8].

En général, les matériaux 2D en couches n'ont pas encore montré une telle haute sensibilité dans la gamme de détection NIR. Par exemple, les dichalcogénures de métaux de transition (TMDs) ont généralement des gaps de bande trop larges pour détecter la lumière IR [17], tandis que pour le graphène, il montre une photoréponse à haute vitesse mais une sensibilité intrinsèque très faible, inférieure à quelques dizaines de mA/W [25]. Bien que la photoresponsivité puisse être améliorée en fabriquant des hétérostructures atomiques [26,27,28], elle ne fonctionne toujours pas parfaitement dans la détection NIR. Comparé avec d'autres matériaux 2D (Tableau 1), le photodétecteur basé sur le Bi₂O₂Se multicouche montre une performance photoélectrique plus excellente, surtout un R élevé et un η élevé. Notablement, si une gravure chimique était appliquée pour optimiser la géométrie des nanofeues de Bi₂O₂Se multicouches [15], la performance du dispositif pourrait être encore améliorée.

Le processus physique de photo-réponse des photodétecteurs basés sur Bi₂O₂Se peut être expliqué par un diagramme de bande d'énergie simple (Fig. 4a). Sans illumination et sans appliquer de biais de drain, le dispositif est dans son état d'équilibre et sans flux de courant dans le canal. L'illumination du dispositif avec la lumière NIR entraînera l'absorption de lumière et l'excitation de paires électron-trou, qui peuvent être extraites en appliquant un biais drain-source [29,30,31]. Puisque la barrière de Schottky dans le contact Bi₂O₂Se-métal est très faible, les porteurs de charge photogénérés pourraient facilement franchir la barrière [16,17,18]. Par conséquent, le photodétecteur basé sur le Bi₂O₂Se multicouche a présenté une excellente performance photoélectrique.

Important, le mécanisme de performance photoélectrique améliorée devrait être discuté. Théoriquement, l'adsorption optique du Bi₂O₂Se multicouche est plus élevée que celle du Bi₂O₂Se en couches minces, ce qui peut induire des photocourants I_ph plus élevés [14, 20]. La puissance incidente P(x) en fonction de la distance x pourrait être exprimée comme P(x) = P_in·e^−α·x, où α est le coefficient d'absorption des nanofeues de Bi₂O₂Se à l'énergie du photon incident. La quantité de puissance absorbée par une dalle de Bi₂O₂Se d'épaisseur Δx à une distance x de la surface est dR_a = − (dP/dx)·Δx. Ensuite, la puissance totale absorbée par le film de Bi₂O₂Se d'épaisseur d est R_a = P_in·(1 − e^−α·d). Pour α·d << 1, la puissance absorbée peut être écrite comme R_a = P_in·α·d [16, 19]. Ici, l'épaisseur d dans notre expérience est 5 fois et 3 fois celle de Ref. [7] et Ref. [8], respectivement. En fait, les nanofeues de Bi₂O₂Se multicouches dans notre travail auraient un meilleur R. Cependant, bien qu'avec l'augmentation de l'adsorption optique, le Bi₂O₂Se multicouche a quelques inconvénients, tels qu'une densité d'états (DOS) plus élevée, causant ainsi plus d'états de gap moyen comparé à la monocouche (ou couche mince) [13, 14]. Comme le montre la Fig. 4b, lorsque le dispositif passe de l'état « allumé » à l'état « éteint », les électrons excités dans les bandes supérieures du Bi₂O₂Se multicouche transiteront d'abord vers les états de gap moyen, puis retourneront à la bande de base [16, 17, 19]. En d'autres termes, la durée de vie des porteurs τ inclina inévitablement. La même situation émergera lorsque le dispositif passe de l'état « éteint » à l'état « allumé ». Intéressant, comparé aux travaux précédents, les nanofeues de Bi₂O₂Se multicouches ont encore un temps de réponse rapide, qui est satisfait dans de nombreuses applications [1,2,3]. Cela signifie que l'existence d'états de gap moyen peut ne pas être préjudiciable à la performance dynamique des nanofeues de Bi₂O₂Se. Enfin, pour l'η grandement améliorée, deux raisons principales jouent des rôles pivots. Premièrement, les couches accrues améliorent l'absorbance des photons incidents. De plus, l'existence d'états de gap moyen permet plus de canaux de transition pour les électrons excités. Ainsi, η augmente significativement [16, 19].

Conclusions

En résumé, nous avons présenté les propriétés photoélectriques du photodétecteur basé sur le Bi₂O₂Se multicouche (épaisseur ~ 30 nm). Le Bi₂O₂Se multicouche démontre une photoréponse ultra-sensible de 850 à 1550 nm avec une bonne reproductibilité à température ambiante, incluant une photoresponsivité élevée, un temps de réponse rapide, une efficacité quantique externe élevée et un taux de détection élevé. Les résultats indiquent que le Bi₂O₂Se multicouche a une photoréponse relativement meilleure que celle du Bi₂O₂Se en couches minces.