WO3 나노와이어에서 H2O 분자 흡착에 의해 유도된 양 및 음의 광전도 변환

결과 및 토론

그림 1은 일반적인 전류 시간(I-T ) Au/h-WO₃의 곡선 NW/Au 장치는 서로 다른 RH 레벨에서 켜짐 및 꺼짐으로 레이저(445 nm, 500 mW)로 기록되었습니다. RH가 40%일 때(그림 1a), 전류는 조명 아래에서 약간 상승하며, 이는 대역 간 전환으로 인한 정상적인 PPC입니다[22, 23]. RH가 50%로 증가함에 따라(그림 1b) 레이저를 켤 때 전류가 약간 상승합니다. 그리고 약 10초 후에 광전류가 크게 떨어집니다. 즉, 흥미로운 NPC 효과입니다. RH가 점진적으로 증가함에 따라 장치는 그림 1c, d와 같이 보다 우수하고 안정적인 NPC를 나타냅니다. NPC 효과는 일부 나노물질[24,25,26]에서 보고되었지만 WO₃에서는 관찰되지 않았습니다. . 사전에 WO₃의 NPC 효과 나노와이어는 흡착된 H₂에 기인할 수 있습니다. 표면에 O 분자. 결국, H₂ O 분자 흡착 및 광 탈착은 광전 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 하고 나노 스케일 재료에서 NPC 효과를 유도하는 것으로 입증되었습니다[27,28,29]. 이는 이러한 나노크기 물질의 전도도가 흡착된 H₂의 양에 민감하게 의존한다는 것을 의미합니다. 오 분자. 그러나 광전류와 달리 서로 다른 RH 수준에서 기록된 암전류는 그림 1과 같이 거의 동일(80 nA)하여 서로 다른 RH 수준에서 광전류의 변화가 단순히 광전류에 기인할 수 없음을 증명합니다. 유도 탈착 H₂ 오 분자. 따라서 h-WO₃의 NPC 효과에 대한 새로운 물리적 메커니즘이 있습니다. NW. 또한 그림 1d의 암전류는 80 nA보다 약간 큽니다. RH가 매우 높으면 더 많은 H₂ O 분자는 WO₃에 흡착됩니다. NW이며 H₂를 형성할 수 있습니다. WO₃ 표면의 O 필름 . 그리고 이 물 분자 층은 Grotthuss 메커니즘을 기반으로 하는 장치의 전도도를 증가시킬 수 있습니다[30]. 따라서 그림 1d의 암전류가 약간 증가합니다.

전형적인 I-T 곡선(V _ds =3 V)의 Au/h-WO₃ NW/Au 장치는 40%RH(a ), 상대습도 50%(b) ), 상대습도 60%(c ) 및 70% RH(d ). a의 하단 삽입 :Au/h-WO₃의 SEM 이미지 NW/Au 소자, 직경 약 300 nm, 길이 약 4 μm

NPC의 기원을 밝히기 위해서는 먼저 관련된 전도성 메커니즘이 결정되어야 합니다. 그림 2a의 삽입도에서 볼 수 있듯이 일반적인 전류-전압(I-V ) 곡선은 70% RH에서 바이어스 전압 스캐닝과 레이저 켜기 및 끄기로 기록되며, 이는 NPC 효과 및 저항성 스위칭을 나타냅니다. 명확한 대조를 위해 I-V 곡선이 I-T로 변환되었습니다. 그림 2a에 표시된 곡선과 쇼트키 법칙(lnI ∝V ^1/2 ) [31]. 광전류 및 암전류 모두에 대해 lnI V와 선형입니다. ^1/2 높은 바이어스 전압에서. 두 경우에 대한 전도 메커니즘은 쇼트키 방출과 쇼트키 플롯의 절편에서 얻을 수 있는 장벽 높이입니다. 밝은 조명 아래의 쇼트키 장벽은 그림 2b의 녹색 가로채기로 표시된 대로 어두운 환경의 쇼트키 장벽보다 훨씬 높습니다. 따라서 h-WO₃의 NPC 효과는 NW는 보라색 조명에 의해 유도된 쇼트키 장벽 높이의 증가에 기인할 수 있습니다. 이전에 보고된 바와 같이[15], 이러한 종류의 장치가 갖는 저항성 스위칭 특성은 흡착된 H₂에 의해 현저하게 향상될 수 있습니다. 오 분자. 이 경우 양전하 전극에서 주입된 정공은 흡착된 H₂를 산화시킵니다. H ⁺ 를 생성하는 O 분자 이온 및 O₂ , 작은 바이어스 전압 하에서 음으로 대전된 전극에서 주입된 전자는 H ⁺ 를 감소시키기에 충분한 에너지를 갖지 않습니다. WO₃의 독특한 전자 밴드 구조로 인한 이온 . H ⁺ H₂에 의해 생성된 이온 O 산화는 연속 바이어스 스캐닝 하에서 표면에 점진적으로 축적되어 WO₃의 모든 이동 전자를 고갈시킵니다. 나노와이어. 따라서 보라색 빛(445 nm)으로 조명하면 광 여기된 정공이 흡착된 H₂를 산화시킬 수도 있습니다. H ⁺ 를 생성하는 O 분자 이온. 유일한 차이점은 H ⁺ 이온이 더 빨리 생성되고 축적되어 H ⁺ 이온이 WO₃ 격자로 들어가는 것 NW를 더 쉽게 금속 상태로 변환합니다. 그들은 이동 전자를 포착하여 전기 이중층을 형성한 다음 그림 2c와 같이 캐리어의 농도를 감소시켜 인터페이스 장벽의 높이를 크게 증가시킨 다음 Au의 컨덕턴스를 크게 감소시킵니다. /h-WO₃ NW/Au 장치. RH 수준이 낮으면(50% 미만) H₂가 2개 미만입니다. O 표면의 분자층과 H ⁺ 의 양 물 산화에 의해 생성되는 이온은 상대적으로 작습니다. 또한 H ⁺ 이온은 H₂의 불연속 층에서 자유롭게 이동할 수 없습니다. O 분자는 음전하를 띤 전극 근처에 축적됩니다. 따라서 이동 전자의 위치를 ​​파악하는 능력은 약하거나 무시할 수 있을 정도이므로 장치는 PPC 효과를 나타냅니다(그림 1a).

아 그냥 70% RH에서 어두운 곳과 조명(445 nm, 500 mW)에서 바이어스 스윕 범위 12 V에서 기록된 곡선. ㄴ ln(I)의 플롯 대 V ^1/2 . ㄷ WO₃ NPC의 메커니즘 다이어그램 NW. a 삽입 :I-V 12 V

NPC 효과의 기원을 더 조사하고 위의 메커니즘의 합리성을 확인하기 위해 전원 종속 I-T 측정은 그림 3과 같이 체계적으로 수행되었습니다. 레이저의 출력을 200 mW로 설정하면 장치는 조명 하에서 안정적인 PPC 효과를 나타냅니다(그림 3a). 전력이 300 mW로 증가함에 따라 NPC의 일부 흔적이 명확하게 관찰될 수 있습니다(그림 3a의 오른쪽 삽입). 레이저 출력이 300에서 400 mW 및 500 mW로 추가 증가함에 따라 전류는 PPC 효과를 나타내는 조명에서 처음 몇 초 동안 빠르게 상승한 다음 NPC 효과를 나타내는 갑자기 떨어집니다(그림 3b, c). 광원을 껐을 때 전류는 20초 이상 경과 후 초기값으로 급격히 증가할 때까지 크게 변하지 않습니다. 빛의 세기가 증가함에 따라 전류가 더 크게 증가하고 더 빨리 떨어지는 것이 분명하며, 이는 빛의 세기에 비례하는 수소 이온 생성 및 응집 속도에 기인할 수 있습니다. 빛의 세기가 약할 때(200 mW 미만), 대역간 전이 효율이 매우 낮아 H ⁺ 발생 이온은 무시할 수 있거나 뜨거운 전자에 의해 환원됩니다. 빛의 세기가 강하면 빛을 비추면 캐리어(전자와 정공)의 농도가 급격히 증가하고 수소이온의 생성과 응집이 일어난다. PPC에서 NPC로의 변환은 H ⁺ 의 과정으로 잘 설명될 수 있습니다. 표면에 이온 축적. 레이저 출력이 600 mW로 추가 증가하면(그림 3d), 광전류가 급격히 변동하는데, 이는 H ⁺ 생성과 감소 간의 경쟁에 기인할 수 있습니다. 이온. 밴드간 전이 효율이 너무 높아 흡착된 H₂ O 분자는 빨리 소모되어 제때 공급될 수 없습니다. 결국 H₂ 까지는 시간이 좀 걸립니다 대기의 O 분자는 h-WO₃로 이완됩니다. 북서면. 위의 분석에서 우리는 H ⁺ 의 생산성이 이온은 대역 간 전이의 효율성에 따라 달라집니다. 레이저의 출력이 낮을 때 대역 간 전환의 효율이 상대적으로 낮고 충분한 H ⁺ 를 생성하는 데 더 많은 시간이 소요됩니다. PPC에서 NPC 효과로의 변환을 달성하기 위해 이온. 반면에 전력이 커지면 이러한 변환을 수행하는 데 더 짧은 시간이 걸립니다.

전형적인 I-T 곡선(V _ds =3 V)의 Au/h-WO₃ NW/Au 소자는 레이저(445 nm, 200 mW(a ), 400 mW(b ), 500 mW(c ) 및 600 mW(d )) 70% RH에서 켜고 끕니다. a의 오른쪽 삽입 :I-T 300 mW의 곡선. H ⁺ 의 효과를 보여주는 4개의 도식 삽입 다양한 레이저 출력에서 ​​이온

H ⁺ 의 규정을 더 연구하려면 이온 후 h-WO₃의 PPC와 NPC 효과 간의 변환 NW, 전형적인 I-T Au/h-WO₃의 곡선 NW/Au 소자는 그림 4와 같이 서로 다른 바이어스 전압에서 측정되었다. 이 부분에서 흡착된 H₂의 양이 많기 때문에 RH 레벨을 50%로 설정하였다. O 분자는 바이어스 전압의 영향이 더 분명할 정도로 많지 않습니다. 바이어스 전압이 2 V일 때 WO₃의 NPC는 나노 와이어는 그림 4a와 같이 조명(445 nm, 500 mW)에서 매우 안정적입니다. 그러나 바이어스 전압이 증가함에 따라 I-T 곡선은 그림 3b, c)에 표시된 것처럼 더 변동됩니다. 한편, 작은 바이어스 전압에서 PPC에서 NPC 효과로의 변환을 달성하는 데 더 적은 시간이 소요됨을 나타냅니다. 또한, 조명을 끄면 그림 4와 같이 광여기된 전자와 정공이 우선적으로 재결합하기 때문에 처음에는 전류가 약간 감소하는데, 이는 InN 박막[32]과 InAs 나노와이어의 경우와 유사하다. [33]. 이 현상을 완전히 이해하기 위해 Au/h-WO₃의 전자 밴드 구조 NW/Au 장치는 그림 4d에 나와 있으며 바이어스 전압이 증가함에 따라 점차적으로 구부러집니다. 비록 H ⁺ 이온 감소 수준은 WO₃의 전도대 하단보다 약간 높습니다. NW, H ⁺ 위의 뜨거운 전자 수 쇼트키 방출에 기초한 음으로 대전된 전극에서 주입된 이온 감소 수준은 바이어스가 충분히 크면 충분히 클 수 있습니다. 이 뜨거운 전자는 비탄도적 수송 동작으로 인해 음전하를 띤 전극 근처에만 존재하며 축적된 H ⁺ 빨리 이온. H ⁺ 로 이온이 사라지고 쇼트키 장벽의 높이가 감소하고 장벽에 대한 전압 강하가 그에 따라 감소합니다. H ⁺ 위의 열전자 수 이온 감소 수준이 그에 따라 감소하여 H ⁺ 축적으로 이어집니다. 다시 이온. 따라서 상대적으로 긴 h-WO₃의 경우 NW, H ⁺ 이온이 축적되고 열전자에 의해 교대로 환원되어 그림 4c와 같이 전류가 변동합니다.

전형적인 I-T 서로 다른 바이어스(2 V(a ), 3 V(b ), 4 V(c )) 50% RH에서 레이저(445 nm, 500 mW)를 켜고 끕니다. d Au/h-WO₃의 개략적인 밴드 구조 다양한 바이어스 전압과 주입된 전자의 비탄도적 수송에서 NW/Au 소자