다층 Bi2O2Se 나노필름의 근적외선 광전 특성

결과 및 토론

그림 1a에서 볼 수 있듯이 계층화된 Bi₂ O₂ Se는 I4/mmm 공간 그룹을 갖는 정방정계 구조를 나타내며 평면 공유 결합 산화물 층(Bi₂ O₂ ) 상대적으로 약한 정전기 상호작용을 갖는 Se 정사각형 어레이에 의해 끼워진다[21]. 이러한 종류의 구조는 운모와 유사합니다. 따라서 2차원 Bi₂ O₂ Se 나노필름은 지금까지 모두 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 운모 기판에서 합성되었다[7, 14, 15]. 그림 1b는 성장한 다층 Bi₂의 대면적 광학 보기를 보여줍니다. O₂ 운모의 Se 나노필름. 나노필름이 균일하고 거의 직사각형 형태임을 분명히 알 수 있다. Bi₂의 원자간력현미경(AFM) 이미지 O₂ 우리 실험의 Se 나노 필름은 그림 1c에 나와 있습니다. 단층(≈ 0.61 nm)의 이론적인 두께에 따르면[14, 15], 30 nm(그림 1d)는 약 49개 층의 두께와 같습니다. 그림 1e는 Bi₂의 XRD 패턴을 보여줍니다. O₂ Se 나노필름. 식별 가능한 피크는 모두 Bi₂의 (00l) 회절 평면에 기인합니다. O₂ Se(결정 방향은 c를 따릅니다. -축), 이전 연구[14]와 일치합니다. 특성 A_1g Bi₂의 최고점 O₂ Se는 ≈ 159.1 cm ⁻¹ 에서 찾을 수 있습니다. Raman 스펙트럼(그림 1f)에서 이는 이전 보고서와 잘 일치합니다[22]. 그림 1g는 Bi₂의 일반적인 I-V 곡선을 보여줍니다. O₂ 장치를 참조하십시오. 우수한 선형 I-V 곡선은 옴 접점이 형성되었음을 나타냅니다. 게다가 2D Bi₂ O₂ Se 기반 광검출기는 미래의 실제 적용을 위한 핵심 척도인 우수한 환경 안정성을 보여줍니다[14, 15]. 그림 1h에서 측정된 장치의 길이와 너비는 각각 29 μm 및 91 μm입니다.

계층화된 Bi₂의 특성화 O₂ Se 나노필름. 아 계층화된 Bi₂의 개략도 O₂ Se 결정 구조. 주황색 공:Bi. 빨간 공:O. 노란 공:Se. ㄴ 성장한 Bi₂의 일반적인 광학 이미지 O₂ 운모의 Se 나노필름. ㄷ 다층 Bi₂의 AFM 이미지 O₂ Se 나노필름. d 해당 높이 정보. 두께는 ~ 30 nm입니다. 이 XRD 패턴. 에 532 nm의 레이저를 사용하여 여기된 라만 스펙트럼. 지 다층 Bi₂의 출력 특성 O₂ 3 개월 동안 공기에 노출되어도 우수한 환경 안정성을 나타내는 Se 장치. 삽입은 장치의 광학 이미지를 보여줍니다. 아 다층 Bi₂의 SEM 이미지 O₂ 이 물질의 나노구조 정보를 보여주는 Se 나노필름. 삽입된 이미지는 확대된 SEM 이미지입니다.

그림 2a에서 볼 수 있듯이 다층 Bi₂의 광전 응답은 O₂ NIR에 대한 Se 기반 광검출기는 의도적으로 측정되었습니다. 여기서는 주로 군사, 상업, 공공 및 학계에서 널리 적용되는 통신 대역(1550 nm)에서 장치의 성능에 대해 논의합니다. 그림 2b에서 I_DS 빛의 강도가 증가함에 따라 분명히 커집니다. 또한 조명 아래에서 장치의 I-V 곡선은 명백한 개방 회로 전압과 단락 회로 전류를 나타내지 않습니다. 이러한 사실은 전극과 물질 사이에 형성되는 쇼트키 장벽이 소자의 수송 특성에 중추적인 역할을 하지 않는다는 것을 나타낸다. 따라서 재료의 광전 응답은 주로 광전도 효과에서 비롯되어야 합니다[10].

다층 Bi₂의 통신 대역(파장 1550 nm)에 대한 광전 응답 O₂ Se 기반 광검출기. 아 Bi₂의 도식적인 3D 보기 O₂ 조명 아래에서 Se 기반 광검출기. ㄴ Bi₂의 I-V 곡선 O₂ 다양한 광도에서 Se 기반 광검출기. ㄷ Bi₂의 시간 의존적 광반응 동작 O₂ 1550nm 조명 아래의 Se 장치(P =0.26uW). 삽입은 장치의 초고속 사진 응답을 보여줍니다. d Bi₂의 광전류 및 감광도 O₂ 다양한 광도에서 Se 기반 광검출기

광검출기의 성능을 평가하기 위해 광반응성(R ), 외부 양자 효율(η ), 탐지율(D* )는 다음 공식 [10, 17]에 의해 계산할 수 있는 중요한 매개변수입니다.

나 _ph 광전류(조명된 (I _나 ) 및 어둠(나 _d ) 상태), P 는 광도, S 유효 영역입니다. h 플랑크 상수, c 는 광속, λ 는 빛의 파장이고 q 전자 요금. 여기서는 암전류가 샷 노이즈의 주요 원인이라고 가정하고 식 (3)[7]을 추론합니다. 이 단순화는 그래핀[23] 및 WSe₂와 같은 2D 적층 재료의 광반응을 평가하는 데 사용되었습니다. [24].

그림 2c에서 볼 수 있듯이 이 장치는 여러 사이클 후에 1550 nm 빛에 대해 매우 안정적이고 반복 가능한 광 응답을 나타냅니다. 응답 시간은 매우 빠르며 상승 시 각각 30 ms 및 감쇠 시 60 ms에 도달할 수 있습니다. 이는 성장한 초박형 Bi₂ O₂ Se 나노필름은 표면 트랩 상태가 없고 결함 에너지 수준이 얕습니다. 마지막으로 그림 2d와 같이 I _ph I~P 관계에 따라 P가 증가함에 따라 단조 증가 ^α . 여기서 α는 Bi₂에 대해 0.99로 추론됩니다. O₂ Se는 실험 데이터를 피팅하여 광전류가 주로 흡수된 광자의 양에 의해 결정됨을 시사합니다[7]. 다층 Bi₂의 감광도 O₂ Se계 광검출기는 약 68A/W로 광검출기로서 매우 높은 성능을 보입니다.

다음으로 다층 Bi₂의 광전 응답 성능 O₂ NIR 파장(850–1550 nm)에 대한 Se 기반 광검출기가 체계적으로 연구되었습니다. 명시된 공식 (1)-(3)에 의한 계산에 따르면, 광 반응성, 외부 양자 효율 및 검출력은 그림 3에 나와 있습니다. 장치는 101A에 이르는 NIR 대역에 대해 매우 높은 광 반응성을 가짐을 알 수 있습니다. /W(900 nm). 또한, 다층 Bi₂ O₂ Se 기반 광검출기는 초고 η를 소유합니다. , 850 nm에서 20,000%를 초과하여 우수한 광전 변환 능력을 나타냅니다. 탐지율은 1.9 × 10 ¹⁰ 에 도달할 수 있습니다. 900 nm에서 광검출기로서 완벽한 신호 대 잡음비를 보여줍니다. 우리의 측정에서 장치의 암전류는 항상 비교적 안정적인 값(0.5 μA)을 유지합니다. 따라서 D*의 경향은 (입사 파장의 함수로) R 경향과 유사 . 분명히 얇은 층 Bi₂에 비해 O₂ 참조에 의해 보고된 Se. [7] 및 Ref. [8], 다층 Bi₂ O₂ Se는 더 높은 광전 응답성과 외부 양자 효율(소스-드레인 바이어스 전압, 1 V, Ref. [7] 및 Ref. [8]과 동일)을 가지면서 상대적으로 빠른 응답 시간과 높은 감지율을 유지합니다. 주목할 만한 것은 Ref. [8] 펌프-프로브 기술에 의한 재료의 고유 응답 시간(1 ps)만 보고했지만 Bi₂의 장치 응답 시간은 보고하지 않았습니다. O₂ Se 광검출기[8].

다층 Bi₂의 NIR 광전 성능 O₂ Se 기반 광검출기. 아 감광성, b 외부 양자 효율 및 c NIR 파장의 함수로서의 탐지율

일반적으로 2차원 적층 물질은 아직까지 근적외선 검출 범위에서 그렇게 높은 감도를 나타내지 않았습니다. 예를 들어, 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)는 일반적으로 IR 광을 감지하기에는 너무 큰 밴드 갭을 갖고[17], 그래핀의 경우 고속 광반응을 나타내지만 수십 mA/W 미만의 매우 낮은 고유 감도를 나타냅니다[25]. 광반응성은 원자적으로 이종 구조를 제작하여 향상시킬 수 있지만[26,27,28], 여전히 NIR 검출에서 완벽하게 수행되지는 않습니다. 다른 2D 재료(표 1)와 비교하여 다층 Bi₂ O₂ Se계 광검출기는 보다 우수한 광전 성능, 특히 높은 R 높은 η . 다층 Bi₂의 형상을 최적화하기 위해 화학적 에칭이 적용된 경우 O₂ Se 나노필름[15], 장치의 성능이 더욱 향상될 수 있습니다.

Bi₂의 광반응 물리적 과정 O₂ Se 기반 광검출기는 간단한 에너지 밴드 다이어그램으로 설명할 수 있습니다(그림 4a). 조명이 없고 드레인 바이어스를 적용하지 않으면 장치는 평형 상태에 있고 채널에 전류가 흐르지 않습니다. NIR 빛으로 장치를 비추면 광 흡수와 전자-정공 쌍의 여기가 발생하며, 이는 드레인-소스 바이어스를 적용하여 추출할 수 있습니다[29,30,31]. Bi₂의 쇼트키 장벽 이후 O₂ Se-금속 접촉은 매우 낮고 광 생성 전하 캐리어는 장벽을 쉽게 통과할 수 있습니다[16,17,18]. 따라서 다층 Bi₂ O₂ Se계 광검출기는 우수한 광전 성능을 나타냈습니다.

다층 Bi₂의 물리적 메커니즘 O₂ Se 기반 광검출기. 아 다층 Bi₂의 광 생성 전하 캐리어의 거동 O₂ Se 기반 광검출기. 여기서 E_F 페르미 준위 에너지, E_C 최소 전도 대역, E_V 최대 가전자대입니다. ㄴ Bi₂의 재조합 과정("on" 상태에서 "off 상태") O₂ Se 기반 광검출기. 여기서 CB는 전도대, CV는 가전자대, E_vac 는 진공 에너지, EA는 전자 친화력

중요한 것은 향상된 광전 성능의 메커니즘이 논의되어야 한다는 것입니다. 이론적으로 다층 Bi₂의 광학 흡착 O₂ Se는 박층 Bi₂보다 높습니다. O₂ 더 높은 광전류를 유도할 수 있는 Se, I _ph [14, 20]. 입사 전력 P(x) 거리 x의 함수로 P(x) =P로 표현될 수 있습니다. _에서 ·e ^−α·x , 여기서 α Bi₂의 흡수 계수입니다. O₂ 입사 광자 에너지에서의 Se 나노필름. Bi₂ 슬라브가 흡수하는 전력량 O₂ 두께Δx의 Se x 거리에서 표면에서 dR _아 =- (dP/dx)·Δx . 그런 다음 Bi₂가 흡수하는 총 전력 O₂ 두께 d의 Se 필름 R입니다 _아 =피 _에서 ·(1 − e ^−α·d ). α·d용 <<1, 흡수된 전력은 R로 쓸 수 있습니다. _아 =피 _에서 ·α·d [16, 19]. 여기서 두께 d 우리 실험에서 의 5배와 3배입니다. [7] 및 Ref. [8], 각각. 사실, 다층 Bi₂ O₂ 우리 작업의 Se 나노필름은 더 나은 R . 그러나 광학 흡착이 증가함에도 불구하고 다층 Bi₂ O₂ Se는 더 높은 밀도의 상태(DOS)와 같은 몇 가지 단점이 있어 단층(또는 얇은 층)에 비해 더 많은 중간 갭 상태를 유발합니다[13, 14]. 그림 4b에서 볼 수 있듯이 장치가 "켜짐 상태"에서 "꺼짐 상태"로 바뀌면 다층 Bi₂의 더 높은 대역에서 여기된 전자가 O₂ Se는 먼저 중간 간격 상태로 전환한 다음 접지 대역으로 돌아갑니다[16, 17, 19]. 즉, 캐리어 수명 τ 필연적으로 기울게 됩니다. 장치가 "꺼짐 상태"에서 "켜짐 상태"로 바뀔 때도 동일한 상황이 나타납니다. 흥미롭게도 전작에 비해 다층 Bi₂ O₂ Se 나노필름은 여전히 ​​빠른 응답 시간을 갖고 있어 많은 응용 분야에서 만족하고 있습니다[1,2,3]. 이는 중간 갭 상태의 존재가 Bi₂의 동적 성능에 해롭지 않을 수 있음을 의미합니다. O₂ Se 나노필름. 마지막으로 η가 크게 향상되었습니다. , 두 가지 주요 이유가 중추적인 역할을 합니다. 첫째, 증가된 층이 입사 광자의 흡광도를 향상시킵니다. 또한, 중간 갭 상태의 존재는 여기된 전자에 대한 더 많은 전이 채널을 허용합니다. 따라서 η 크게 증가합니다[16, 19].