Amélioration des photodétecteurs UV ZnO tout-jet d'encre par modification aux nanoparticules d'argent

Résumé

Pour améliorer les performances des photodétecteurs UV ZnO tout-jet d'encre tout en conservant les avantages de cette technologie, des nanoparticules d'argent (NP Ag) jetées d'encre ont été déposées sur le photodétecteur pour la première fois. Les NP Ag jetées d'encre passivent les défauts de surface du ZnO et agissent comme plasmons de surface, comme le montrent la photoluminescence (PL), la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) et la simulation par différences finies dans le domaine temporel (FDTD). La détectivité normalisée (D*) du détecteur modifié Ag atteint 1,45 × 10¹⁰ Jones à 0,715 mW, contre 5,72 × 10⁹ Jones pour le ZnO nu. La relation loi de puissance entre photocourant et puissance incidente pour le détecteur ZnO modifié Ag est I_pc ∝ P^2,34, indiquant une grande sensibilité du photocourant aux variations de puissance incidente.

Introduction

Le ZnO est un matériau prometteur pour diodes électroluminescentes UV (UV-LED), diodes laser (LD), transistors à couches minces transparents (TFT) et autres dispositifs photoniques, électroniques, acoustiques et de détection [1-6]. La fabrication de détecteurs UV est une application majeure du ZnO, car ces détecteurs sont très demandés et la bande interdite directe du ZnO (3,37 eV) correspond à l'UV ~365 nm [7]. Les procédés conventionnels (photolithographie, dépôts sous vide : MBE, CVD, pulvérisation magnétron) sont coûteux et longs [8-11]. La méthode sol-gel est moins coûteuse mais nécessite encore la photolithographie [12,13]. L'impression jet d'encre offre une solution plus économique et pratique, supprimant la photolithographie et convenant à la production industrielle à grande échelle [14]. Les films et nanocristaux ZnO par jet d'encre sont connus depuis longtemps (avant 2010) [15]. Le concept de photodétecteurs flexibles tout-jet d'encre ZnO date de 2017 [13]. Bien que des photodétecteurs UV ZnO flexibles répondant à 365 nm aient été réalisés [13,16], l'étude des films minces ZnO jet d'encre comme couche active sur substrats flexibles reste limitée. Améliorer les performances reste un défi. De nombreuses études ont modifié des photodétecteurs par NPs métalliques [17-21], mais aucune n'a fabriqué de photodétecteurs ZnO modifiés par NPs métalliques par impression jet d'encre intégrale, sous-exploitant les avantages de cette technique.

Ce travail réalise pour la première fois des photodétecteurs UV ZnO modifiés par NP Ag par impression jet d'encre intégrale. Les NP Ag jetées d'encre passivent les défauts de surface du ZnO, réduisant le courant d'obscurité et le temps de décroissance. Elles agissent aussi comme plasmons de surface, augmentant le photocourant. Ainsi, les performances du photodétecteur UV ZnO tout-jet d'encre modifié NP Ag sont améliorées.

Méthodes et expériences

Le schéma du photodétecteur UV ZnO est montré Fig. 3a : film mince ZnO jet d'encre sur substrat polyimide (PI), électrodes argent jet d'encre, NP argent par encre commerciale. Substrat PI nettoyé successivement eau déionisée, acétone, isopropanol (IPA) 15 min ultrasons. L'encre ZnO : poudre nano-ZnO (Aladdin) dissoute dans N-méthylpyrrolidone (Titan), agitation magnétique 6 h, filtration 0,5 μm PTFE. Impression par imprimante jet d'encre Dimatix 2850 (Fujifilm USA) à 60 °C. Film ZnO imprimé 15 fois pour augmenter l'épaisseur, espacement gouttes 50 μm. Espacement gouttes électrodes Ag et NP Ag : 45 et 100 μm. Électrodes Ag 3 mm largeur, gap 2 mm depuis plots de contact. Caractérisations : XRD, MEB, PL, XPS sur films ZnO pur et ZnO+Ag.

Résultats et discussion

Le photodétecteur UV ZnO tout-jet d'encre sans NP Ag (échantillon témoin) est fabriqué comme référence. La Fig. 1a (MEB) montre de nombreuses frontières cristallines du film ZnO, morphologie typique. Fig. 1b : NP Ag imprimées en surface avec succès. Fig. 1d : distribution diamètres NP Ag (20-65 nm). Fig. 1c : diagrammes XRD 2θ-ω. De nombreuses orientations cristallines existent dans le film ZnO, indiquant des frontières cristallines à haute densité, qui réduisent le courant d'obscurité par diffusion aux joints de grains [16]. Pics Ag (111) et Ag (200) à 38,17° et 44,45° confirment la fabrication réussie des NP Ag sur le film ZnO.

Pour révéler l'influence des NP Ag sur les propriétés du film ZnO et du photodétecteur, PL, XPS et simulation FDTD sont réalisés (Fig. 2). Spectre PL normalisé (Fig. 2a) : luminescence verte de l'échantillon NP Ag diminuée vs témoin, prouvant la passivation partielle des défauts liés aux lacunes d'oxygène (V_O), lacunes de zinc (V_Zn) et oxygène interstitiel (O_i) [23-25]. XPS (Fig. 2b) : densité défauts V_O fortement réduite pour l'échantillon NP Ag. Pic –OH présent dans le témoin (absorption surfacique due à la polarité du ZnO) [26] ; absent dans l'échantillon NP Ag car la surface est passivée. Pic Ag-O vers 528 eV dans XPS de l'échantillon NP Ag, attribué à l'oxydation des NP Ag et passivation de V_Zn. La surface spécifique accrue des NP Ag vs Ag massif facilite l'oxydation ; atomes Ag occupent les sites V_Zn et se lient aux atomes O pour passiver V_Zn. Simulation FDTD pour confirmer le rôle plasmon de surface (Fig. 2c-e). Diamètre NP Ag simulé : 40 nm (majorité 30-40 nm). Pic d'absorption à 376,5 nm, mais forte absorbance à 365 nm : les NP Ag agissent bien comme plasmons de surface pour le photodétecteur UV ZnO à 365 nm.

Tests I-V sous différentes conditions (Fig. 3). Structure et photo du détecteur Fig. 3a. I-V obscurité et 365 nm (Fig. 3b) : échantillon NP Ag a courant d'obscurité plus faible et photocourant plus élevé que le témoin → meilleures performances. Tendances photocourant et responsivité (R) vs puissance incidente (Fig. 3c,d). Responsivité : R = (|I_light| - |I_dark|) / P_in (équation 1), I_light/I_dark photocourant/courant d'obscurité, P_in puissance efficace incidente (puissance totale / surface active A). Photocourant et responsivité de l'échantillon NP Ag augmentent avec P_in ; pour le témoin, photocourant quasi constant, responsivité décroît. Puissance équivalente de bruit (NEP) et détectivité normalisée (D*) : NEP = √(2qI_darkΔf) / R (2), D* = √A / NEP (3). Relation D* vs 1/NEP (Fig. 3e). f = bande passante, Δf = 1. D* décrit la capacité à détecter une lumière faible ; NEP = puissance incidente pour rapport signal/bruit = 1. D* et 1/NEP plus élevés = meilleure performance. Fig. 3e : échantillon NP Ag atteint D* et 1/NEP plus élevés. D* augmente avec P_in pour NP Ag, diminue pour témoin. D* échantillon NP Ag = 1,45 × 10¹⁰ Jones à 0,715 mW vs 5,72 × 10⁹ Jones pour témoin. L'amélioration semble modeste car première exploration, mais large marge de progression.

Pour expliquer les mécanismes I-V (Fig. 3), niveaux d'énergie des défauts V_O, V_Zn, O_i collectés des références [27-30] (Fig. 4). V_O, V_O⁺, V_O²⁺, V_Zn : pièges à trous [28,30,31]. V_Zn²⁻, V_Zn⁻ : piège à électrons et centre de recombinaison non radiatif [28]. Pour échantillons NP Ag, concentration pièges porteurs bien plus faible que témoin (PL et XPS Fig. 2a,b). –OH : donneur peu profond dans ZnO, fournit électrons libres [32], présent dans témoin, absent dans NP Ag (XPS Fig. 2b). Diagrammes de bandes simplifiés (Fig. 5). Obscurité (Fig. 5a,c) : densité porteurs témoin > NP Ag (électrons libres donneurs peu profonds/états surfaciques) → courant d'obscurité témoin > NP Ag (cohérent Fig. 3b). "Effet d'ombrage" des NP Ag cause perte énergie lumière incidente [18] → courant lumière et responsivité NP Ag inférieurs au témoin à faible puissance. Sous irradiation 365 nm : photocourant témoin n'augmente pas significativement avec la puissance. Taux capture porteurs : R_n0 = r_nnN_tn0 (4), R_p0 = r_ppN_tp0 (5). r_n, r_p coefficients piégeage ; n, p concentrations électrons/trous libres ; N_tn0, N_tp0 concentrations pièges électroniques/trous avant ionisation. Taux capture augmente avec concentration porteurs libres et densité pièges. Lumière sur témoin : excitation intrinsèque → nombreux porteurs libres. Probabilité piégeage augmente fortement avec densité porteurs → limite augmentation concentration porteurs libres. Pièges ionisés augmentent diffusion porteurs → mobilité réduite → limite photocourant. Photocourant témoin n'augmente pas substantiellement (Fig. 3c, 5d). Responsivité calculée diminue avec puissance incidente (Fig. 3d). Pour échantillon NP Ag : moins de pièges et états surfaciques (passivation NP Ag). Courant d'obscurité plus faible (moins donneurs peu profonds). Sous 365 nm (Fig. 5b) : excitation intrinsèque + effet plasmon NP Ag renforcés. Concentration porteurs libres augmente fortement (peu de pièges). Photocourant augmente significativement avec puissance (Fig. 3c). Loi de puissance : I_pc ∝ P_in^2,34 (6) (I_pc = photoréponse [33]). Échantillon NP Ag très sensible aux variations de puissance UV. Responsivité augmente fortement avec puissance → changement 1/NEP et D* (Fig. 3e). NP Ag prometteurs pour améliorer davantage les photodétecteurs UV ZnO tout-jet d'encre.

Photocourant temporel testé par cycles 20 s marche/arrêt, biais 20 V, puissance 0,715 mW (Fig. 6a,c). Temps de décroissance ajusté par exponentielle d'ordre 2 [34]. Fig. 6b,d : temps de montée similaires, mais temps de décroissance très différents. Témoin : 3,01 s et 8,12 s ; NP Ag : 1,08 s et 3,30 s. Deux processus de décroissance = deux mécanismes physiques distincts contrôlant la photodécroissance. Diminution significative temps décroissance = NP Ag jet d'encre améliorent la résolution temporelle. Décroissance due aux porteurs libérés des niveaux pièges à l'extinction. Temps décroissance plus long témoin = concentration pièges bien plus élevée (cohérent Fig. 2). Courant d'enclenchement témoin diminue avec cycles (Fig. 6a) : diffusion porteurs par charges résiduelles dans pièges (courant d'extinction croissant). Échantillon NP Ag : courant d'extinction ~zéro chaque cycle → porteurs pièges presque totalement libérés. Courant d'enclenchement NP Ag augmente avec cycles → à étudier. Hypothèse : effet plasmon de surface ou propriétés mémoire du ZnO [35,36], à explorer ultérieurement.

Conclusions

Le photodétecteur UV ZnO tout-jet d'encre modifié NP Ag est fabriqué avec succès pour la première fois. Les NP Ag jetées d'encre assurent la passivation des défauts et le rôle plasmon de surface. Comparé au photodétecteur UV ZnO jet d'encre, la détectivité normalisée de l'échantillon NP Ag atteint 1,45 × 10¹⁰ Jones à 0,715 mW vs 5,72 × 10⁹ Jones pour le ZnO nu. La photoréponse du modifié NP Ag est nettement meilleure. Toutefois, étant la première application de NP Ag jet d'encre pour améliorer les photodétecteurs ZnO jet d'encre, il reste un vaste potentiel d'amélioration.