우리는 무선 주파수 마그네트론 스퍼터링 증착 방법에 의해 준비된 표면 플라즈몬(SP)을 지원하는 MgZnO 금속-반도체-금속(MSM) 자외선 광검출기(UV)를 제안하고 시연했습니다. Pt 나노입자(NP)로 표면을 장식한 후 모든 전극 간격(3, 5, 8μm) 광검출기의 반응성이 극적으로 향상되었습니다. 놀랍게도, 더 큰 간격 샘플의 응답성과 비교하여 더 많은 SP가 수집되었고 다른 SP보다 작았습니다. 위의 결과를 설명하기 위해 SP와 공핍 폭에 중점을 둔 물리적 메커니즘이 제공됩니다.
<섹션 데이터-제목="배경">ZnO는 방사 경도와 환경 친화성을 특징으로 하는 매력적인 넓은 직접 밴드 갭(~ 3.37 eV) 산화물 반도체입니다. 이러한 특성으로 인해 UV 광검출기와 같은 단파장 광전자 장치의 제조에 적합합니다. 그러나 p형 도핑 및 기타 관련 태양광 블라인드 기술의 미성숙으로 인해 ZnO 기반 UV 광검출기의 성능은 예상보다 여전히 낮습니다. 고성능 ZnO 기반 UV 광검출기의 제조를 위해 일반적이고 효과적인 방법은 재료 품질을 개선하고 소자 기술을 최적화하는 것이지만 이는 일반적으로 장기간의 공정[1,2,3,4,5,6 ,7].
최근 SP는 근본적인 과학적 중요성과 유망한 실용적인 응용 프로그램으로 인해 많은 관심을 받고 있습니다. SP는 마그네트론 스퍼터링에 의해 금속 NP 표면의 코팅으로 실현될 수 있습니다. 표면의 금속 NP는 입사 광자의 산란을 향상시키고 더 많은 광자를 기판에 도달하게 하여 광자의 흡수를 향상시킬 수 있습니다[8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18]. 많은 최근 연구에서 Ag 나노 입자가 더 나은 재료로 간주됩니다. 그러나 Ag는 ZnO-Ag 계면에서 산화되어 결국 산화은(AgO) 층을 형성할 수 있었다[19]. 세계에서 일종의 새롭고 안정적인 특성 금속으로서 백금(Pt) 원소는 SP가 UV 범위에 있는 플라즈몬 재료의 중요한 후보였습니다. 또한 MgZnO 광검출기에는 MSM(metal-semiconductor-metal) 구조가 우선적으로 선택되어 평면 소자 구조, 빠른 광 응답 및 제조 공정의 단순성 등의 장점이 있습니다. 그러나 장벽 높이와 공핍 폭의 결합 효과에 대한 체계적인 조사는 실제 적용과 완벽한 기초 물리학의 발전을 촉진할 수 있음에도 불구하고 다소 제한적이었습니다. 이 작업에서 다른 활성층과 전극 간격을 가진 MgZnO UV 광검출기가 설계 및 제작되었습니다.
이 논문에서 우리는 무선 주파수 마그네트론 스퍼터링 증착 방법에 의해 준비된 SP를 보조하는 MgZnO MSM UV 광검출기를 제작했습니다. 가장 중요한 것은 광검출기의 반응성이 장치 표면에 금속 Pt NP를 스퍼터링함으로써 향상되었다는 것입니다. SP를 시연하기 위해 3, 5, 8μm의 전극 간격과 더 큰 간격의 응답성을 비교하여 더 많은 SP가 차례로 다른 것보다 작습니다. 이론상으로 더 많은 SP, 더 많은 광 생성 전자-정공 쌍이 생성되고 그에 따라 광전류가 증가합니다. 놀랍게도, 더 큰 간격 샘플의 반응성으로 인해 다른 것보다 더 작은 SP가 더 많이 수집되었으며, 이는 이 방법이 광검출기의 성능 향상을 위한 강력한 보완책임을 보여줍니다.
MgZnO 타겟은 대기 분위기에서 10시간 동안 1000°C에서 99.99% 순수 MgO 및 ZnO 분말의 혼합물을 소결하여 제조한 다음 아연 타겟 위에 둡니다. (두 타겟은 고온 전도성 탭으로 밀접하게 연결되어 있습니다. Zn 타겟의 직경은 7cm입니다.) 분명히 MgZnO 빔 흐름은 Zn 빔 흐름으로 둘러싸여 있어 Zn 원자의 손실을 효과적으로 줄입니다[20] . MgZnO 필름의 조성은 높은 기판 온도에서도 쉽게 제어할 수 있습니다.
석영 기판은 아세톤, 에탄올 및 탈이온수로 30분 동안 연속적으로 세척한 다음 증착 전에 공기로 건조했습니다. MgZnO 필름은 실온에서 총 압력 3Pa, 스퍼터링 전력 120W로 석영 기판 위에 먼저 성장되었습니다. 마지막으로, 상부 Au 핑거 전극은 리소그래피와 습식 에칭을 통해 구성되었으며 길이 500μm, 너비 5μm, 간격 3, 5, 8μm이며 핑거 쌍의 합은 15개입니다(그림 1은 광검출기의 개략도).
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Mg0.24의 3D 개략도 Zn0.76 O MSM 구조의 UV PD
MgZnO 필름의 위상 식별은 40kV 및 20mA에서 Cu Kα 방사선(λ =1.54184 Å)을 사용하는 Rigaku Ultima VI X선 회절계(XRD)를 특징으로 합니다. PerkinElmer Lambda 950 Spectrometer는 200~700nm 파장 범위의 흡광도 스펙트럼에 사용됩니다. MgZnO 광검출기의 전류-전압(I-V) 특성은 Agilent 16442A 테스트 픽스처를 사용하여 20V 바이어스에서 측정됩니다. MgZnO 광검출기에 대한 스펙트럼 응답은 Zolix DR800-CUST를 사용하여 기록됩니다.
서로 다른 스퍼터링 시간에서 MgZnO 필름의 XRD 패턴이 그림 2에 나와 있습니다. 여기에 약 34.84°에 위치한 회절 피크가 있으며, 이는 MgZnO의 (002) 평면에 인덱스될 수 있으며, 이는 MgZnO 필름 결정이 일반적으로 c -중심선. Pt NP가 없는 경우와 스퍼터링한 경우 Pt NP의 MgZnO 피크의 강도는 거의 동일하며, 이는 스퍼터링 증착 Pt NP가 MgZnO 필름의 표면에 증착되고 필름의 결정 품질에 영향을 미치지 않는다는 것을 증명할 수 있습니다. 그림 3은 Pt NP가 없고 스퍼터링 Pt NP MgZnO 필름이 있는 광 흡수 스펙트럼을 보여줍니다[21, 22]. 결과는 SP 모드로 인해 증착된 Pt NP가 있는 검출기에서 흡수의 향상이 발생함을 시사합니다. 깨끗한 MgZnO 필름과 비교하여 Pt NP로 코팅된 MgZnO 필름의 흡수는 스펙트럼 범위에서 향상됩니다. 동시에, MgZnO 필름은 에너지 분산 분광계(EDS)로 특성화되었으며 마그네슘 농도는 약 24%입니다(그림 3 삽입). Pt NP와 함께 20초 동안 스퍼터링된 MgZnO 표면의 평면 SEM 이미지가 그림 4에 나와 있습니다. Pt NP의 평균 직경은 약 6.26 ± 0.50 nm입니다.
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Mg0.24의 XRD 스펙트럼 Zn0.76 오 필름
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Mg0.24의 자외선 가시광선 흡수 스펙트럼 Zn0.76 오 필름
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Pt NP를 사용하여 20초 동안 스퍼터링한 MgZnO 표면의 평면 보기 SEM 이미지
그림 5는 5V 바이어스에서 입사광 파장에 대한 MgZnO 광검출기(전극 간격이 다름)의 반응성을 보여줍니다. 반응성 향상 경향은 Pt NP를 장식함으로써 완전히 증가하였다. 특히, 동일한 조건에서 모든 광검출기는 전극 간격(3, 5, 8μm)이 감소함에 따라 증가합니다. 따라서 반응성 향상의 지배적인 구성 요소는 Pt NP의 효과입니다. 결과는 응답도의 향상 범위를 쉽게 제어할 수 있음을 나타냅니다. 이는 바이어스 전압 변경과 같은 기존 방법과 다릅니다. 놀랍게도, 더 큰 간격 샘플의 반응성으로 인해 다른 SP보다 작은 SP가 더 많이 수집되었습니다. 이론상으로 더 많은 SP가 나타나기 때문에 더 많은 광 생성 전자-정공 쌍이 생성되고 그에 따라 광전류가 증가합니다. 현상은 이론과 일치하지 않습니다. MgZnO 광검출기의 비선형 I-V 특성(그림 6 참조)은 고전적인 쇼트키 금속-반도체 접촉이 달성되었음을 나타냅니다. 또한 암전류는 동일한 바이어스에서 전극 간격이 감소함에 따라 확대되는 것으로 나타났으며, 이는 금속-반도체 접합의 공핍 폭으로 설명될 수 있습니다.
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5V 바이어스에서 입사광 파장에 대한 MgZnO 광검출기(다른 전극 간격 사용)의 반응성
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MgZnO 광검출기의 비선형 I-V 특성은 고전적인 쇼트키 금속-반도체 접촉이 달성되었음을 나타냅니다.
흥미로운 현상의 특성을 밝히기 위해 향상된 반응성과 암전류 사이의 원인으로 두 가지 가능한 이유가 제안되었습니다. (1) MgZnO 광검출기의 이상적인 조합 타겟을 얻기 위해 Pt NP를 사용하여 장치를 수정합니다. 다시. 일치하는 파장의 입사광은 SP와의 결합을 통해 기하학적 단면보다 훨씬 큰 산란 단면에서 금속 NP와 효율적으로 상호 작용합니다. 플라즈몬 산란 효과의 메커니즘은 문헌에 설명되어 있습니다. 따라서 산란된 빛은 MgZnO 층에서 특정 각도 퍼짐을 얻습니다. 결과적으로 입사광은 반도체를 여러 번 통과하여 유효 광로 길이를 증가시킵니다. 더 중요한 것은 광 경로 길이를 늘리면 광 흡수를 향상시킬 수 있다는 것입니다. Pt NP가 있는 광응답 스펙트럼은 Pt NP가 없는 장치보다 점차적으로 높아졌습니다(그림 7a는 SP의 개략도를 나타냄). (2) 공핍 폭(W )는 동일한 바이어스에서 전극 간격이 감소함에 따라 모든 MgZnO 광검출기의 응답성이 증가하는 이유를 설명합니다. 공핍 폭은 [23]
으로 설명할 수 있습니다. $$ W={\left[2{\varepsilon}_0{\varepsilon}_1\left({\psi}_0+V\right)/{qN}_{\mathrm{d}}\right]}^{ 1/2} $$ (1)여기서 ɛ 0 절대 유전 상수, ɛ 1 상대 유전 상수, ψ 0 내장된 잠재력, V 바이어스 전압, q 는 전자 전하이고 N d 는 기증자 농도입니다. 전극 간격이 증가할수록 반도체 박막의 면적이 증가하는데, 이는 유효 저항이 증가함을 의미합니다. 삑 0 , ɛ 1 , ψ 0 , V , q , 및 N d 는 불변하므로 전극 간격이 증가함에 따라 넓어지고 공핍 영역에 작용하는 전압이 감소합니다. 공핍 폭의 편향 효과만 볼 수 있습니다. 공핍 영역에 적용되는 전압은 전극 간격이 증가함에 따라 감소한다는 것입니다. 따라서 이 영역의 모든 광 생성 캐리어는 높은 전기장에 의해 휩쓸려 금속 전극으로 이동합니다. 따라서 광 생성 캐리어의 양이 증가하여 간격 증가와 반대로 반응성의 경향이 증가합니다(그림 7b는 공핍 폭의 개략도를 보여줍니다). 그러나 모든 광검출기는 전극 간격(3, 5, 8μm)이 감소함에 따라 증가합니다. 동일한 NP 크기와 밀도에서 전극 간격이 클수록 여기된 NP가 더 많습니다. 그러면 근거리의 능력이 반도체에 결합되어 더 강해집니다. 그러면 더 많은 광 생성 전자-정공 쌍이 생성되고 이에 따라 이론상 광전류가 증가합니다. 모든 광검출기의 응답성은 전극 간격(3, 5, 8μm)이 감소함에 따라 증가하고 바이어스 전압은 일정하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 위에서 언급했듯이 지배적인 요인은 이 흥미로운 현상을 설명하기 위해 공핍 폭에 중점을 둡니다. 모든 결과는 SP의 응답성을 향상시키기 위한 실행 가능한 경로를 나타냅니다. 여기에서 일반적으로 사용되는 다른 재료 또는 이전 광검출기와 비교하여 많은 Zn 원자가 성장 과정에서 손실되는데, 이는 Zn에 비해 Mg의 증기압이 더 높기 때문입니다. Zn 원자의 결핍으로 인해 필름에 많은 결함이 형성됩니다. 광 캐리어는 결함으로 인해 합성되고 일광 블라인드 광검출기의 반응성이 크게 감소합니다. 또한, Zn 원자의 손실로 인해 함량의 무질서 및 변동을 피하기 어렵고, 흡수단의 토우 테일 현상이 뒤따를 것이다. 그 결과, UV-가시광선 거부율은 검출력의 감소와 함께 감소할 것입니다. 결과적으로, 필름의 화학량론적 비율을 제어하는 것은 MgZnO 광검출기의 성능을 향상시키는 방법이 될 수 있습니다. SP는 마그네트론 스퍼터링에 의해 금속 NP 표면의 코팅으로 실현될 수 있습니다. 표면의 금속 NP는 입사 광자의 산란을 향상시키고 더 많은 광자를 기판에 도달하게 하여 광자의 흡수를 향상시킬 수 있습니다. 이론상으로 더 많은 SP, 더 많은 광 생성 전자-정공 쌍이 생성되고 그에 따라 광전류가 증가합니다. 3, 5 및 8μm의 전극 간격과 더 큰 간격의 응답성을 비교하여 SP를 입증하기 위해 더 많은 SP가 차례로 다른 SP보다 작습니다.
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아 SP의 개략도. ㄴ 공핍 폭의 개략도
이상적인 MgZnO 광검출기를 얻기 위해 서로 다른 전극 간격(3, 5, 8μm)으로 MgZnO MSM 자외선 광검출기를 제작했습니다. 그런 다음 장치의 성능을 향상시키기 위해 새로운 접근 방식(Pt NP를 사용하여 장치를 수정함)이 있습니다. 놀랍게도, 더 큰 간격 샘플의 응답도를 비교하면 다른 SP보다 작은 SP가 차례로 더 많이 수집되었습니다. 우리는 최적화된 반응성을 설명하기 위해 더 넓은 공핍 폭을 자세히 설명했으며 Pt NP의 SP가 입사광의 산란을 향상시켜 필름 광검출기의 추가 조사에 도움이 된다고 제안합니다. 고품질 MgZnO UV 광검출기를 개발하기 위한 추가 연구가 진행 중입니다.
산화은
에너지 분산 분광계
금속-반도체-금속
나노입자
표면 플라즈몬
자외선
나노물질
초록 이 원고에서 무기 페로브스카이트 CsPbI2 Br 및 CsPbIBr2 유기금속 삼할로겐화물 페로브스카이트 재료보다 더 높은 안정성을 제공하는 광활성 재료로 조사되었습니다. 제조 방법으로 CsPbIx 역용매 처리 가능 Br3−x 필름, 단일 단계 솔루션 프로세스에서 항상 발생하는 열악한 필름 품질을 극복합니다. 스핀 코팅 공정에서 도입된 디에틸 에테르는 성공적인 것으로 입증되었으며 필름 품질에 대한 반용매의 영향이 연구되었습니다. 이 방법을 사용하여 제작된 장치는 고성능, 자체 전원을 구현하고 안정화된 광검출기는 빠른 응답
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