In2S3 양자점:준비, 속성 및 광전자 응용

결과 및 토론

구조 및 형태 연구

In₂의 TEM 이미지 S₃ QD는 그림 1b-e에 나와 있습니다. ₂ S₃ QD는 고르게 분포되어 있으며 회전 타원체 형태를 나타냅니다. 입자 크기 분포는 1~3 nm 범위의 크기와 1.12 nm의 FWHM을 갖는 가우스 분포를 따릅니다. 입자의 평균 크기는 2.02nm입니다. 그림 1c–e는 In₂의 HRTEM 이미지입니다. S₃ d에 대한 격자 무늬를 보여주는 QD =0.271 nm, 0.311 nm 및 0.373 nm, 각각 400, 222 및 220 격자 평면의 입방 결정 시스템에 해당합니다[18]. 그림 1i는 그림 1d에 표시된 격자 무늬의 세로 프로파일을 보여줍니다. 선택된 영역(빨간색 점선 사각형)의 고속 푸리에 변환(FFT) 패턴이 그림 1d 삽입에 나와 있으며, 이는 6각형 시스템의 결정 구조를 나타내는 400 평면 회절에서 6개의 밝은 점을 나타냅니다. 준비된 In₂의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지 S₃ QD는 그림 1f에 나와 있습니다. 표시된 대로 In₂ S₃ QD는 표면 에너지를 줄이기 위해 응집되어 비교적 조밀한 구조를 형성합니다. In₂의 400, 222 및 220에서 X선 ​​회절(XRD) 평면 S₃ QD는 그림 1g에 표시되며 Sheer 공식을 사용하여 계산된 입자 크기는 HRTEM 이미지의 400 평면에서 측정된 크기와 잘 일치합니다. 그림 1h는 In₂의 라만 스펙트럼을 보여줍니다. S₃ 304cm에서 일반적인 피크가 있는 QD ⁻¹ 및 930cm ⁻¹ [19]. 원자현미경(AFM)은 무작위로 선택된 4개의 In₂에 대해 수행되었습니다. S₃ QD는 각각 1.53 nm, 2.35 nm, 1.35 nm 및 2.32 nm의 측정 높이로 그림 1j와 같이 A, B, C 및 D로 표시됩니다(그림 1k에 표시). AFM 측정에서 1.94 nm의 평균 높이는 TEM에서 얻은 것과 매우 가깝습니다.

In₂의 예상 밴드 갭 S₃ QD는 양자 효과로 인해 벌크 값인 2.3eV보다 큰 3.50eV입니다. 밴드 갭은 Brus 방정식을 사용하여 계산되었습니다.

여기서 E _np QD의 밴드갭, E _g 벌크 In₂의 밴드 갭입니다. S₃ (2.3 eV), \( \overline{h} \) =h/2π는 축소된 플랑크 상수, e 전자 전하, m _e *는 전자의 유효 질량, m _어 ^* 구멍의 유효 질량, m _e ^* =m _어 ^* (0.25 × 10 ⁻²⁸ g), R 는 입자의 반경이고 ε 유전 상수(ε = 11).

그림 2a는 In₂의 자외선 가시광선(UV-vis) 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. S₃ 양자점. 225 nm와 283 nm에 두 개의 특징적인 흡수 피크가 있습니다[20]. ₂ 이후 S₃ 직접 밴드갭 물질이며, 광학 밴드갭은 다음 방정식으로 표현할 수 있습니다.

여기서 α 는 흡수 계수, A 상수, hv 는 사진 에너지이며 예 밴드갭 에너지입니다.

아 In₂의 UV-vis 흡수 스펙트럼 S₃ QDs 수용액. 삽입:밴드 갭 에너지 추정(E _g ). ㄴ PL 방출 스펙트럼. ㄷ PL 여기(PLE) 스펙트럼, 삽입:가시광선 및 365nm 광원에서 발광 이미지. d XPS 전체 스캔 스펙트럼. 이 XPS S2p 스펙트럼. 에 XPS In3d_3/2 및 In3d_5/2 스펙트럼

QD의 밴드 갭 에너지는 (αhv ) ² 대 광 에너지(hv ). 예상 E _g 3.54 eV의 값은 그림 2a의 삽입도에서 볼 수 있듯이 Brus 식(E)을 사용하여 계산된 값에 매우 가깝습니다. _np =3.50eV). In₂의 광학적 특성을 조사하기 위해 광발광(PL) 및 광발광 여기(PLE) [21] 연구가 수행되었습니다. S₃ 양자점. 그림 2b에서 300~450nm 사이의 파장에서 방출 피크가 있고 E의 여기에서 가장 강한 피크 강도가 ~ 390nm에 집중됨을 알 수 있습니다. _x =250nm. 도 2c의 PLE 스펙트럼은 특징적인 여기 피크의 파장이 수신 파장(500-540 nm)보다 짧음을 보여줍니다. In₂의 에너지 격차 확대 S₃ 벌크 재료와 비교한 QD는 PL 및 PLE 결과로도 입증될 수 있습니다. In₂의 형광 S₃ 가시광선 및 365nm UV 광선에서 양자점은 그림 2c 삽입에 나와 있습니다. 이것은 In₂가 S₃ QD는 우수한 UV 형광 특성을 가지고 있습니다. In₂의 화학 결합을 연구하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)도 수행되었습니다. S₃ 양자점. 그림 2d는 162.5 eV에서 S2p, In3d_5/2로 구성된 XPS 전체 스캔 스펙트럼을 보여줍니다. 444.5 eV 및 In3d_3/2에서 452.5 eV에서. 또한, 계면활성제와 반응물로부터 잔류 Cl, Na, O, C가 있다. S2p 및 In3d의 코어 레벨 피크는 각각 그림 2e, f에 나와 있습니다. deconvoluted 피크는 S2p(In-S, C-S), In3d_5/2의 결합 상태를 나타냅니다. . (In-S, In-O) 및 In3d_3/2 (인-에스, 인-오).

₂에서 S₃ QD는 우수한 자외선 흡수 특성을 나타냈으며 In₂ 기반의 UV 광검출기 S₃ QD가 조작되고 조사되었습니다. 준비 과정은 그림 3a에 나와 있습니다.

아 In₂의 제작 과정을 보여주는 개략도 S₃ QDs UV 광전지 검출기. ㄴ QD가 없는 전극. ㄷ –d In₂의 광학현미경 이미지 S₃ 다른 배율의 QD 광검출기. 이 –h In₂의 성능 S₃ 양자점 검출기. 이 J-V 곡선. 에 로그 (J)-V 곡선. 지 R (반응성)-V 곡선. 아 디*

Au 맞물린 전극의 사양은 Tang이 보고한 것과 유사합니다. et al. 두께 400 nm, 길이 120 μm, 폭과 간격 10 μm의 전극으로 구성되어 있다[22]. 그림 3b는 빈 전극의 광학 이미지를 보여줍니다. Fig. 3c, d는 In₂로 채워진 전극의 간격을 보여주는 광학현미경 사진이다. S₃ 감광층 역할을 하는 QD. 전압에 대한 측정된 전류 밀도(J -V ) 및 로그(J -V ) 0.16 mW cm ⁻² 로 조사된 어두운 조건의 장치 곡선 및 0.47mW·cm ⁻² 365 nm UV 광의 전력 밀도는 각각 그림 3e, f에 나와 있습니다. 조사 전력 밀도가 증가하면 전류 밀도의 증가가 관찰되어 정류기의 특성을 나타냅니다. 반응성(R ) 및 탐지력(D* )는 다음 방정식을 사용하여 계산됩니다.

여기서 J _ph 는 광전류 밀도, P _선택 는 광출력 밀도, q입니다. 는 절대 전자 전하입니다(1.6 × 10 ⁻¹⁹ 쿨롱) 및 J _d 는 암전류 밀도[23]입니다. 그림 3g에서 R의 최대값은 4.13A W ⁻¹ , 이는 그래핀 및 다른 많은 2차원 나노물질 장치[24, 25]보다 훨씬 크며 역 바이어스 전압이 증가함에 따라 증가하는 것으로 보입니다. 도 3h에 도시된 바와 같이, D* 약 10 ¹³ 에서 안정화됨 존스.

아 In₂가 있는 광검출기 S₃ 활성층으로서의 QD. ㄴ 1V 및 2V에서의 R-T 플롯 c ln(ρ)-1/T-의 플롯 1V에서 기반 장치. d C-F 실온에서 측정한 곡선. 이 C-V 어두운 조건에서 곡선(40MHz) 기반 광검출기. 에 1/C의 인가 전압 및 플롯에 따른 정전 용량의 변화 ² 대. V 장치

빈 전극과 In₂로 채워진 전극의 광학 이미지 S₃ QD는 그림 4a에 나와 있습니다. R의 줄거리 -티 In₂에서 측정 S₃ 1V 및 2V의 전압에서 양자점 기반 광검출기가 그림 4b에 나와 있습니다. 온도가 증가하면 저항이 감소한다는 것을 보여줍니다. 그러나 단순한 선형 관계를 나타내지는 않습니다. In₂의 전기적 특성을 이해하려면 S₃ 양자점, ln(ρ) -1/T 의 장치가 달성되었고 그 결과가 그림 4c에 나와 있습니다. 두 모델 방정식[26]을 사용하여:

여기서 N 맞물린 전극의 수, w 겹치는 길이, l 는 간격이고 d 는 필름의 두께[27]입니다. 단순 선형 회귀를 사용하여 계산된 열 활성화 에너지(E _아 )은 0.011 eV이고 핑거 리딩 요소(A )는 4.16 × 10 ⁸ 입니다. Ω°cm. In₂의 열 활성화 에너지 S₃ 획득한 에너지가 캐리어가 전도에 참여하기에 충분한 한 QD는 감소할 수 있으며, 이는 저항을 낮추고 전도도를 높일 수 있습니다.

일반적으로 C -V 측정은 반도체 인터페이스 및 전하 전송의 특성에 대한 많은 중요한 정보를 제공할 수 있습니다. 그림 4d는 주파수가 증가함에 따라 커패시턴스가 감소하고 저주파에서 커패시턴스의 감소가 현저함을 보여줍니다. 이것은 교류 신호에 응답하는 인터페이스 상태 때문이며 인터페이스 상태의 존재는 고주파수에서 AC 신호를 억제하여 약화 경향 또는 일정한 커패시턴스를 초래합니다. 그림 4e는 C-V를 보여줍니다. In₂의 곡선 S₃ 40MHz 주파수의 실온에서 QD 기반 광검출기. C-V 편향 아래의 관계는 [28]

여기서 V _바이 는 제로 바이어스에서 내장 전위, ε ₀ 는 진공의 유전율, ε_r 재료의 상대 유전율, N 는 공핍층의 캐리어 농도이고 S 감광성 영역(3.3mm ² ). x 절편은 V입니다. _바이 =0.6V, 캐리어 농도 N 1/C의 선형 단면의 기울기에서 계산할 수 있습니다. ² 대 V 플롯 [29]:\( N=\frac{-2}{q{\varepsilon}_0{\varepsilon}_r{A}^2}{\left[\frac{\partial \left({C}^{ -2}\right)}{\partial V}\right]}^{-1} \) 및 계산된 N =4.3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . 공핍 폭(W _d ) 전극과 In₂ 사이 S₃ QD 층, \( {W}_d={\left[\frac{2{\varepsilon}_0{\varepsilon}_r\left({V}_{bi}-V\right)}{qN}\로 표현됨 right]}^{1/2} \), 계산된 W _d = 12.34nm. 이러한 물리적 매개변수는 그림 4f에 나와 있습니다. V _바이 그리고 W _d 그래핀 양자점과 같은 유사한 QD 소자와 동일하지만 [30], N 제로 바이어스에서 크기가 한 차수만큼 더 큽니다. 이것은 다른 QD 장치와 비교하여 장치의 우수한 성능을 설명합니다[31].