단일 CdSSe 나노벨트 기반 파장 제어 광검출기

결과 및 토론

그림 2a는 준비된 CdSSe NB의 SEM 이미지를 보여줍니다. CdSSe NB는 형태가 양호하고 너비와 길이가 수백 마이크로미터까지 균일한 것으로 나타났습니다. 그림 2b는 CdSSe 나노벨트의 고배율 SEM 이미지입니다. 나노벨트는 폭이 2.632μm로 얇고 균일한 것이 관찰되었습니다. 그림 2c와 삽입된 그림은 너비가 2.94μm이고 두께가 50nm 미만인 단일 나노벨트의 TEM 명시야 이미지와 선택 영역 회절(SAD) 패턴을 보여줍니다. SAD 패턴은 단결정 품질을 확인하고 격자 매개변수 a를 사용하여 육각형 구조로 인덱싱할 수 있습니다. =4.177 Å 및 c =6.776 Å. 해당 HRTEM 이미지는 그림 2d에 표시되며 인접한 평면 사이의 격자 간격은 (110) 결정면에 해당하는 0.34nm입니다. 따라서 성장 방향은 [110]을 따릅니다.

CdSSe NB의 형태 이미지. 아 낮은 배율에서 SEM. ㄴ 고배율 SEM. ㄷ 슬픈, 삽입:그것의 TEM. d HRTEM

EDX 및 CdSSe 나노벨트의 매핑은 그림 3에 나와 있습니다. 낮은 배수에서 샘플의 SEM 이미지는 그림 3a에 나와 있습니다. 전체 영역이 나노벨트로 덮여 있음이 관찰됩니다. 그림 3b는 Cd, S, Se의 총 분포입니다. Cd, S 및 Se 요소의 매핑은 각각 그림 3c–e에 표시되어 있습니다. Cd, S, Se가 나노벨트 전체에 균일하게 분포되어 있음을 밝혔다. 동일한 나노벨트에서 수집된 EDX 스펙트럼은 그림 3f에 나와 있으며, 이는 나노벨트가 Cd, S 및 Se 원소로 구성되어 있음을 나타냅니다.

CdSSe NB의 SEM 이미지 및 요소 매핑. 아 SEM. b–e 각각 Cd, S 및 Se 매핑입니다. 에 EDX

CdSSe NB의 XRD 및 XPS 패턴은 그림 4에 나와 있습니다. 모든 회절 피크는 CdS_0.76의 육각형 구조로 인덱싱될 수 있습니다. Se_0.24 격자 매개변수 a 사용 =4.177 Å 및 c =6.776 Å, 이는 표준 카드(JCPDS 번호 49-1459)와 일치합니다. 회절 피크의 위치(2θ =24.72°, 26.35°, 28.13°, 36.42°, 43.47°, 47.5°, 50.4°, 51.4°, 52.4°) 결정면(100), (002), (101), (101), (1)과 일치 (110), (103), (200), (112), (201) 각각. 다른 불순물은 검출되지 않습니다. 날카롭고 좁은 회절 피크는 얻어진 CdSSe 나노벨트가 좋은 결정성을 가지고 있음을 보여주었다. 그림 4b는 Cd3d_5/2의 결합 에너지를 보여줍니다. 및 Cd3d_3/2 CdSSe NB의 경우 각각 404.8 및 411.7 eV로 이전 작업에서 보고된 값에 가깝습니다[26]. 두 피크 사이의 분리 거리는 6.9eV이며, 이는 Cd 원자가 완전한 CdS 단계에 있음을 나타냅니다[27]. S(2p) 피크의 디콘볼루션은 그림 4c에서 160.7 및 165.1 eV를 중심으로 하는 두 개의 가우스 피크를 보여줍니다. Se(3d)의 원자가 전자 스펙트럼은 53.5eV에 위치한 하나의 피크만 관찰된 그림 4d에 나와 있습니다. 따라서 XPS 결과는 나노벨트가 Cd, S 및 Se 원소로 구성되어 있음을 확인시켜줍니다.

CdSSe NB의 XRD 패턴 및 XPS 스펙트럼. 아 XRD. ㄴ 중첩된 Cd(3d)의 XPS 스펙트럼. ㄷ S(2p)용 고해상도 XPS 스펙트럼. d Se(3d)용 고해상도 XPS 스펙트럼

그림 5는 CdSSe 나노벨트의 광발광 스펙트럼입니다. 500~1000nm 범위에 두 개의 피크가 있습니다. 하나는 CdSSe 나노벨트의 NBE(near-band-edge) 방출에서 비롯된 603nm의 중심에 있습니다. ~ 950nm에 중심을 둔 다른 하나는 In₂에서 관찰되는 심층 방출과 관련이 있을 수 있습니다. Se₃ 및 Ga₂ Se₃ [28, 29].

CdSSe NB의 PL 방출 스펙트럼

단일 CdSSe 나노벨트의 SEM 및 CL 이미지는 그림 6a, b에 설명되어 있습니다. 나노벨트의 표면은 평평하고 매끄럽고 밝기는 길이에 따라 불균일하다는 것이 밝혀졌다. 그림 6c, d는 실온(295K) 및 저온(93K)에서 동일한 나노벨트의 공간 분해능 CL 스펙트럼입니다. CdSSe NB의 특성 NBE의 CL 강도가 지점마다 다르고 신호 노이즈 비율이 295K에서 좋지 않은 반면 CL은 93K에서 다른 강도로 강하다는 점을 강조했습니다. 이 결과 CL 이미지와 잘 어울립니다. 또한 특성 피크가 625nm에 위치하여 결함 방출이 관찰되지 않으며 93K에서 강도가 295K보다 약 220배 더 강합니다. 따라서 CdSSe NB는 저온에서 우수한 발광 특성을 갖습니다.

단일 CdSSe NB의 SEM 및 CL 이미지. 아 SEM. ㄴ 씨. ㄷ CL at 295K. d CL at 93K

그림 7a는 CdSSe NB의 너비가 균일하지 않음을 시각화한 나노장치의 SEM 이미지입니다. 측정된 NB의 너비는 그림 7a와 같이 30.85 및 36μm이고 길이는 9.754μm입니다. 나 –V CdSSe NB 장치의 특성은 전력 밀도가 43.14mW/cm ² 인 어두운 조건과 백색광 조명에서 그림 7b에 나와 있습니다. . 보시다시피 백색광을 조사하면 광전류가 크게 증가하는데, 이는 입사광이 전자-정공 쌍을 생성하여 광전류를 향상시키기 때문입니다. I의 선형 모양 –V 곡선은 CdSSe NB와 Ti/Au 전극 사이에 양호한 저항성 접촉이 형성되었음을 나타냅니다. 광전류는 1.6 ×입니다. 10 ⁻⁷ A, 암전류는 약 1.96 × 10 ⁻¹⁰ A. 따라서 암전류에 대한 광전류의 비율은 816입니다. 그림 7c는 I –V 대수를 취한 후 얻은 곡선에서 광전류가 암전류보다 3배 더 높음을 발견했습니다.

SEM 이미지 및 나 –V 단일 CdSSe NB 검출기의 곡선. 아 SEM. ㄴ 나 –V 전력 밀도가 43.14mW/cm ² 인 어두운 조건 및 백색광 조명에서의 곡선 . ㄷ 나 –V 로그를 취한 후 얻은 그래프

장치의 광전자 특성을 더 조사하기 위해 그림 8과 같이 단일 CdSSe NB 장치의 광전류를 측정했습니다. 인가된 바이어싱 전압 1V에서 600~800 범위에서 장치의 스펙트럼 응답 nm는 그림 8a에 표시됩니다. 파장이 674nm보다 작을수록 응답이 매우 강하고, 674nm보다 크면 파장이 점점 약해지는 것을 알 수 있다. 그림 8b는 측정된 I를 나타냅니다. –V 전력 밀도가 다른 674nm 조명 아래에서 곡선 광전류는 전력 밀도가 증가함에 따라 증가하며, 이는 광 발생 캐리어 효율이 흡수된 광자의 수에 비례함을 의미합니다[30]. 그림 8b에 해당하는 로그 플롯은 그림 8c에 강조표시되어 있습니다. CdSSe NB 기기가 6.11mW/cm ² 의 전력 밀도에서 최고의 응답을 하는 것으로 나타났습니다. . 그림 8d는 광전류와 광출력 밀도의 관계입니다. I의 전력 밀도 의존 광전류 값을 피팅함으로써 _p =AP ^θ , 여기서 나 _p 광전류, P 는 광출력 밀도, A 파장 종속 상수, 지수 θ 전력으로 광전류 응답을 결정[31], θ로 실험 결과가 잘 맞았습니다. =0.69. 0.5 <θ <1인 비단위 지수에 대한 보고서는 광활성 물질 내에서 전자-정공 생성, 재결합 및 트래핑의 복잡한 과정을 제안하는 반면 [32], θ의 강도 의존성 <0.5는 재조합 센터와 트랩을 포함한 결함 메커니즘으로 인해 발생할 수 있습니다. 따라서 θ =0.69는 CdSSe 나노벨트에 결함이 없음을 의미하며 이는 HRTEM 및 CL의 결과와 일치합니다.

CdSSe NB 검출기의 검출기의 광반응 속성. 아 1V의 바이어스에서 측정된 스펙트럼 광응답. b 나 –V 674nm의 여기 파장, 1V의 바이어스 전압, 다양한 전력 밀도에서의 곡선. ㄷ b의 로그 플롯 . d 광전류와 광출력밀도의 관계

스펙트럼 응답성(R _λ ) 및 외부 양자 효율(EQE)은 R로 정의할 수 있는 광학 장치의 중요한 매개변수입니다. _λ =나 _ph /(피 _λ S ) 및 EQE =hcR _λ /(qλ ), 여기서 나 _ph 광전류와 암전류의 차이, P _λ 나노벨트에 조사되는 광출력밀도, S 유효 조명 영역, c 는 빛의 속도, h 플랑크 상수, q 는 전자 전하이며 λ 여기 파장은 [33, 34]입니다. 해당 R을 계산했습니다. _λ CdSSe NB 기기의 EQE 값은 10.4A/W 및 19.1%입니다.

그림 9a는 4.87mW/cm ² 강도의 674nm 빛을 주기적으로 켜고 끄는 방식으로 측정되는 CdSSe NB 검출기의 시간 응답을 보여줍니다. 1V의 바이어스 전압에서. 이를 통해 CdSSe NB 장치가 스위칭 속성에서 우수한 가역 안정성을 나타냄을 알 수 있습니다. 그림 9b는 오실로스코프에 의해 측정된 저항의 전압 상승 및 감쇠 에지입니다. 이것은 CdSSe NB의 광전도도 상승 시간과 감쇠 시간을 반영합니다. 674nm 조명의 조명 유무(4.87mW/cm ² ) 저항 변화의 전압이 달라집니다. 상승/감쇠 시간은 각각 1.62/4.70ms임을 알 수 있습니다. 단일 나노벨트 또는 나노시트(NS)를 기반으로 하는 광검출기의 중요한 매개변수를 다른 것과 비교했습니다. R _λ 이 작업에서 CdSSe NB 장치의 광검출기는 CdS[34] 및 ZnS NB[35], BiO₂와 같은 다른 나노구조 광검출기의 것보다 큽니다. Se[36], GaSe[37], SnS[38] 및 Bi₂ S₂ NS [39]. 붕괴 시간은 ZnS NB[35] 및 GaSe NS[37]보다 짧지만 표 1에 요약된 것처럼 다른 것[34, 36, 38, 39]보다 길기 때문에 CdSSe의 잠재적 적용 가능성을 확인했습니다. 광검출 분야의 경우 NB.

4.87mW/cm ² 의 674nm 조명 조명에서 단일 CdSSe NB 광검출기의 현재 시간 속성 1V 바이어스에서 전력 밀도. 아 나 –그 온/오프 스위칭이 있는 특성. ㄴ 펄스 응답의 전압 상승 및 감쇄 에지