ZnO-QD/모노레이어 MoS2의 I형 헤테로구조 기반 UV-가시광선 광검출기

결과 및 토론

ZnO-QD/단층 MoS의 형태 및 구조₂ 광검출기

ZnO-QDs 용액의 스핀 코팅은 ZnO-QDs/MoS₂를 제작하기 위해 채택되었습니다. 그림 1a와 같이 장치. 그림 1b는 단층 MoS₂의 광학 이미지를 보여줍니다. 평균 측면 길이가 25 μm인 플레이크. 그림 1c의 AFM 이미지는 MoS₂의 두께를 보여줍니다. 플레이크는 ~ 0.8 nm이며, 이러한 삼각형 모양 MoS₂를 나타냅니다. 플레이크는 단층이다[25]. 또한 384.24 cm ⁻¹ 에 위치한 두 개의 라만 활성 모드 및 403.18 cm ⁻¹ 그림 1d의 라만 스펙트럼에 표시된 것은 평면 내 E ¹ 에 해당합니다. _2g 및 평면 외부 A_1g , 각각. 두 피크의 차이는 18.94 cm ⁻¹ 입니다. 다음으로, Fig. 1e와 같은 PL 스펙트럼에서 1.84 eV에 피크가 존재한다. 두 결과 모두 단층 MoS₂의 구별되는 기능입니다. [26]. MoS₂ 플레이크의 두께가 균일합니다.

아 원시 장치 및 ZnO-QD/MoS₂의 개략도 장치. ㄴ MoS₂의 광학 이미지 플레이크, 스케일 바, 10 μm. ㄷ AFM 이미지, 삽입은 MoS₂의 두께를 보여줍니다. , 스케일 바, 2 μm. d 라만 스펙트럼 및 e MoS₂의 PL 스펙트럼 플레이크. 에 MoS₂의 라만 매핑 플레이크, 스케일 바, 5 μm

ZnO-QD는 그림 2b와 같이 실험에서 관찰된 자발적 방출 효과로 인해 빛을 방출할 수 있습니다. 그림 2b는 JCPDS 카드 번호에 따른 분말 ZnO-QD의 XRD 패턴을 보여줍니다. 36-1451에서 볼 수 있으며 ZnO의 존재를 확인할 뿐만 아니라 전구체를 의미하는 다른 피크는 관찰되지 않으며 아세톤에 의해 완전히 제거되었습니다. QD 재료의 XRD 패턴은 벌크 또는 분말 재료[27]에 비해 반치폭(FWHM)이 더 넓은 경향이 있으며, 이는 제조된 ZnO 분말에서도 관찰됩니다. 에탄올에 분산된 ZnO-QD의 평균 크기와 분포를 보장하기 위해 TEM 및 HRTEM이 사용됩니다. ZnO-QD의 해당 이미지는 그림 2c와 d에 나와 있습니다. ZnO-QD의 평균 크기는 4.3 ± 1.87 nm입니다. 이 결과는 100개 이상의 ZnO-QD에 대한 통계적 TEM 분석으로 얻은 것입니다. 그림 2d의 HRTEM 이미지에서 우리는 ZnO-QD가 결정질 ZnO의 (100) 평면에 해당하는 0.28 nm의 격자 간격으로 높은 결정 품질을 가지고 있음을 발견했습니다.

아 합성 시간이 다른 ZnO-QD는 UV 조명 아래에서 빛을 방출했습니다. ㄴ 분말 ZnO-QD의 XRD 회절 패턴. ㄷ , d ZnO-QD의 TEM 및 HRTEM 이미지. 삽입은 ZnO-QD의 크기 분포를 보여줍니다.

ZnO-QD/단층 MoS의 광전자 성능₂ 광검출기

ZnO-QDs/MoS₂의 전류 대 바이어스 전압(I–V) 특성 어둡고 밝은 조명(532 nm) 아래에 있는 장치가 그림 3a에 나와 있으며 삽입된 부분은 음의 전압에 위치한 더 높은 배율의 I-V 특성입니다. 가장 높은 on/off 비율은 0.5 V의 전압에서 약 100으로 측정되었으며 장치의 유효 면적은 185.71 μm ² 입니다. 레이저 PD는 1.97에서 24.08 mW/cm ² 까지 다양합니다. . 단층 MoS₂ 사이의 쇼트키 접촉으로 인해 전극에서 I–V 곡선은 비대칭입니다. 접촉 영역에 위치한 쇼트키 장벽의 장점은 쇼트키 장벽이 광 생성된 전자-정공 쌍을 더 짧은 시간에 분리할 수 있을 뿐만 아니라 전자-정공 재결합 속도를 줄여 높은 광전류 및 빠른 응답 속도를 달성하는 데 도움이 된다는 점입니다. [28,29,30]. PD가 증가함에 따라 장치에 양의 전압이 적용될 때 광전류가 크게 증가하므로 모든 추가 측정은 V에서 수행되었습니다. _ds =1 V.

아 ZnO-QDs/MoS₂의 I–V 특성 다른 조명 전력 밀도에서 광검출기. 삽입은 어둡고 다른 조명 전력 밀도에서 더 높은 배율 I-V 특성(음의 전압)입니다. ㄴ ZnO-QDs/MoS₂의 3D 반응성 맵 광검출기. ㄷ V에서 532 nm의 여기 파장에서 전력 강도 의존 광전류(적색) 및 응답도(R, 녹색) _ds =1 V. d V에서 전력 강도 종속 외부 양자 효율(EQE, 빨간색) 및 비검출성(D*, 녹색) _ds =1 V

반응성은 R로 정의되는 광검출기의 중요한 매개변수 중 하나입니다. _λ =나 _ph /PS, 여기서 P는 광 PD이고 S는 감광체의 유효 영역입니다. ZnO-QDs/MoS₂의 3D 반응성 맵을 제시합니다. 다른 V의 영향을 반영하는 그림 3b의 장치 _ds 그리고 반응성에 대한 PD. 깨끗한 소자와 ZnO-QD 장식 소자의 성능 차이를 알아보기 위해 광전류(I _ph =나 _빛 - 나 _어두운 ) 빨간색 점과 반응성(R)으로 표시 _λ ) V를 사용하여 405nm 레이저 조명 아래에서 녹색 점으로 표시 _ds =1 V, 도 3c에 도시된 바와 같이. 광전류는 I _ph ∼ P ^α , 여기서 P는 빛 PD이고 α는 거듭제곱 법칙의 인덱스를 나타냅니다. 측정된 광전류를 맞추면 α 값 =0.8 - 깨끗한 MoS₂ 그리고 α =ZnO-QD/MoS₂의 경우 0.84 달성됩니다. 여기서 계산된 α 1에 가까울수록 재조합으로 인해 손실된 광여기 캐리어가 적다는 것을 의미합니다[31]. 원시 장치의 최대 광전류는 24.08 mW/cm ² 의 레이저 PD에서 0.168 nA입니다. 0.073 mW/cm ² 의 낮은 레이저 PD에서 0.028A/W의 응답성을 나타냅니다. . 동일한 PD로 ZnO-QD/MoS₂ 장치는 0.667 nA의 더 높은 광전류와 0.084A/W의 응답도를 보여줍니다. 이 결과는 단층 MoS₂의 광전류를 나타냅니다. 장치는 ZnO-QD의 장식으로 크게 향상될 수 있습니다. 게다가, 광검출의 두 가지 중요한 매개변수인 외부 양자 효율(EQE)과 검출도(D*)도 추가 비교를 위해 계산되었습니다. EQE는 장치 외부에서 수집된 광발생 전자 대 입사 광자의 비율로 EQE =hcR로 표시됩니다. _λ /λ e, 여기서 h는 플랑크 상수, c는 광속, λ 여기 광의 파장이고 e는 기본 전자 전하입니다. D*는 광검출기의 감도를 정량화할 수 있으며 D* =R로 정의됩니다. _λ ㅅ ^1/2 /(2e나 _어두운 ) ^1/2 나 _어두운 큰 소음에 기여합니다. 그림 3d에서 볼 수 있듯이 원시 장치는 8.5% 및 3.84 × 10 ¹⁰ 에 해당하는 최대 EQE(빨간색) 및 D*(녹색)를 나타냅니다. 각각 0.075 mW/cm ² 의 레이저 PD에서 Jones . 한편 동일한 PD에서 최대 EQE 및 D*는 25.7% 및 1.05 × 10 ¹¹ 에 해당합니다. Jones는 각각 ZnO-QDs/MoS₂에 의해 얻은 깨끗한 것보다 약 3배 높습니다. 장치. 우리의 하이브리드 장치에 의해 달성된 D*는 그래핀 양자점/WSe₂과 같은 적층 재료를 기반으로 하는 다른 많은 보고된 광검출기의 것과 경쟁적입니다. /Si 이종접합(4.51 × 10 ⁹ Jones) 및 그래핀/그래핀 양자점/그래핀 구조(~ 10 ¹¹ 존스) [32, 33]. 이것은 나 때문입니다. _어두운 장치에서 얻은 값은 1 V 바이어스에서 0.1 nA 미만의 매우 작은 값으로 감소합니다. 나와 비교할 수 있습니다. _어두운 그래핀-실리콘 이종접합 광검출기(0 바이어스에서 0.1 nA) [34].

다른 파장의 레이저 노출에서 깨끗한 소자와 ZnO-QD 장식 소자의 광전류가 그림 4a에 나와 있습니다. 405 nm, 532 nm 또는 635 nm에서 광전류의 분명한 향상이 존재하며, 이는 넓은 밴드 갭을 갖는 ZnO 양자점이 가시광선 검출 성능을 향상시킬 수 있음을 의미합니다. 우리는 PD가 0.26 mW/cm ² 인 하이브리드 장치인 254nm 광의 광대역 스펙트럼 응답을 추가로 조사했습니다. PD가 0.51 mW/cm ² 인 375nm 광 조명 하이브리드 장치에 적용되었으며 그림 4b와 같이 우수한 광 응답 특성이 관찰되었습니다. 게다가, 하이브리드 소자는 800 nm 이상의 파장을 가진 빛에 의해 조명되었을 때 반응을 보이지 않았다. UV 광 조명의 전력은 낮지만 광전류는 여전히 훨씬 높거나 PD가 훨씬 높은 가시광 조명에서 얻은 광전류와 비슷합니다. 우리는 UV 빛이 그 위에 떨어질 때 하이브리드 장치가 더 많은 광자를 흡수할 수 있게 하는 것이 ZnO-QD의 넓은 밴드 갭이라고 믿습니다. 따라서 많은 캐리가 생성되어 MoS₂로 전송됩니다. 광전류를 크게 확대하기 위해. 또한 250 초에 걸쳐 6번 on/off 상태를 전환한 후에도 광전류와 암전류가 동일한 수준을 유지하여 이 하이브리드 장치의 우수한 광 안정성을 보여주었습니다.

아 깨끗한 소자와 ZnO-QDs/MoS₂의 광전류 V에서 다른 파장의 다른 PD에서 조명되는 광검출기 _ds =1 V. b ZnO-QDs/MoS₂의 여러 주기의 광반응 DUV(254 nm) 및 UV(375 nm) 조명(V _ds =1 V). c의 응답 시간 깨끗한 기기와 d ZnO-QD/MoS₂ PD 35 mW/cm ² 에서 광검출기 조명 V에서 635 nm의 파장 _ds =1 V. e ZnO-QDs/MoS₂의 정규화된 PDCR V에서 532nm 레이저 조명 아래 광검출기 _ds =1 V; 더 나은 비교를 위해 1일차와 31일차에 측정된 광전류를 삽입했습니다.

응답 속도가 빠른 광검출기는 광통신 및 비디오 이미징과 같은 일부 영역에 적합합니다. 광검출기의 또 다른 중요한 매개변수로서 PD가 35 mW/cm ² 인 입사 635nm 광에서 응답 시간도 조사되었습니다. . 이 연구에서 우리는 광검출기의 상승 시간과 감쇠 시간을 소자가 초기 전류에서 평형 값의 90%에 도달하는 데 걸리는 시간과 그 반대의 경우를 각각 정의했습니다. 원시 장치의 경우 상승 시간은 9.5 s, 감쇠 시간은 17.4 s였으며, 이러한 느린 응답 속도는 주로 재료의 결함에 의해 도입된 밴드 갭에 위치한 트랩 상태로 인해 발생합니다[35]. MoS₂ 이후 광검출기는 그림 4c와 d와 같이 ZnO-QD로 장식되었으며, 상승 및 감쇠 시간은 1.5 s 및 1.1 s로 감소했으며 응답 시간은 각각 84.2% 및 93.7% 감소했습니다. 이 결과는 ZnO-QD가 MoS₂의 응답 시간을 크게 단축할 수 있음을 보여줍니다. 광검출기를 사용하여 이 하이브리드 광검출기를 실용적인 응용 분야에 적합한 후보로 만듭니다. 하이브리드 광검출기의 장기 안정성을 평가하기 위해 그림 4e와 같이 1 개월(3 일 간격) 동안 장치의 광전류를 측정했습니다. 광전류/암전류 비율(PDCR =I _ph /나 _어두운 )를 적용하였다. 1 개월 동안 공기에 노출된 후, 장치의 PDCR은 명백한 퇴화를 나타내지 않습니다. 삽입된 이미지는 1일차와 31일차에 측정된 전류가 거의 동일한 수준으로 유지됨을 보여줍니다. 분명히, 이 하이브리드 광검출기는 장기간의 광검출에 대해 우수한 안정성을 가지고 있습니다.

광반응 메커니즘

여기에서 우리는 ZnO-QDs/MoS₂의 광검출 성능 향상에 대한 메커니즘을 조사했습니다. 광검출기. 먼저 수치 시뮬레이션을 통해 하이브리드 구조의 흡수를 확인했습니다. 유한 요소 방법을 사용하여 상단의 공기 영역과 하단의 사파이어 기판으로 구성된 계산 모델을 구축했습니다. 모델의 상단과 하단은 가짜 반사를 피하기 위해 완벽하게 일치하는 두 개의 레이어로 잘렸습니다. 사파이어 기판의 굴절률은 1.75로 일정하게 설정되었다. 처음에는 각각 0.8nm 두께의 MoS₂ 층과 4.5nm 두께의 ZnO 층을 사파이어 기판 위에 두어 독립적인 흡수를 확인합니다. MoS₂의 굴절률 단층은 참고 문헌 [36]에서 가져오고 ZnO에 대한 것은 참고 문헌 [37]에서 가져왔습니다. 그런 다음 하이브리드 층(MoS₂ 위의 ZnO ) 전체 흡수를 조사하기 위해 동일한 사파이어 기판에. 도 5a에 도시된 바와 같이, 하이브리드 층은 베어 MoS₂에 비해 400 nm 미만의 파장 영역에서 향상된 흡수를 나타낸다. 단층, ZnO-QD 장식 후 더 나은 UV 흡수를 나타냅니다. 그런 다음 MoS₂의 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 실험적으로 확인했습니다. , ZnO-QD 및 ZnO-QD/MoS₂ 결과는 계산된 것과 일치합니다. 그림 5b와 같이 단층 MoS₂ UV에서 가시광선 파장까지 광대역 흡수 범위를 나타내며 파장이 NIR로 증가할 때 흡수 피크가 발견되지 않습니다. ZnO-QDs의 경우, 흡수 피크는 UV 파장 빛에 위치하며 MoS₂에 비해 흡수율이 더 큽니다. . ZnO-QDs의 장식 후, 우리는 ZnO-QDs/MoS₂ 깨끗한 MoS보다 더 강한 흡수 능력을 나타냄₂ , 헤테로 구조가 더 집중적 인 광 물질 상호 작용을 가지고 있음을 나타냅니다. 해당 Tauc 플롯은 그림 5c와 MoS₂의 밴드 갭에 나와 있습니다. 및 ZnO-QD는 각각 ~ 1.77 eV 및 ~ 3.42 eV로 계산할 수 있으며 이는 이전 보고서의 값에 가깝습니다[27, 38].

아 MoS₂의 계산된 흡수 스펙트럼 , ZnO-QD 및 ZnO-QD/MoS₂ . ㄴ MoS₂의 UV-vis 흡수 스펙트럼 , ZnO-QD 및 ZnO-QD/MoS₂ . ㄷ MoS₂의 Tauc 플롯 및 ZnO-QD

이전 보고서에 따르면 MoS₂ 및 ZnO-QD는 각각 4.7 eV 및 5.3 eV의 일함수를 갖는 n형 반도체입니다[39, 40]. MoS₂의 전자 친화도 는 약 4.3 eV[41]로 ZnO-QD(4.2 eV)[42]보다 약간 큽니다. MoS₂의 밴드 갭 그리고 ZnO-QD는 Tauc 플롯 계산에 따라 1.8 eV 및 3.4 eV로 간주됩니다. MoS₂의 에너지 밴드 구조 그리고 그림 6a 및 b에 표시된 ZnO(접촉 전후)가 구성되어 광검출 성능 향상에 대한 메커니즘을 조사하는 데 사용됩니다.

아 그리고 b MoS₂의 밴드 다이어그램입니다. 접촉 전후의 ZnO-QD

모스₂ /ZnO-QDs heterojunction은 Van der Waals force에 의해 형성되고 계면에서의 I-type band alignment는 향상된 응답성을 설명하는 데 사용될 수 있습니다[42]. 이러한 이종 구조가 자외선 아래에서 조명되면 ZnO-QD와 MoS₂ 빛의 광자를 강하게 흡수하고 전자는 원자가에서 전도대로 이동하여 "I" 과정이 발생합니다. 그 후, 전자는 ZnO-QDs 전도대에서 MoS₂로 주입됩니다. 열 교반을 통해 과정 "V"를 형성하기 위한 전도대, 한편, ZnO-QDs 전도대에서 전자의 일부가 MoS₂의 전도대로 터널링 , 프로세스 "III"이 생성됩니다. 그러면 ZnO-QDs 가전자대의 정공이 MoS₂의 해당 가전자대로 이동합니다. , 프로세스 "IV"에 표시된 대로. 또한, 자발적 방출은 ZnO-QD의 전도대에서 전자의 일부를 만들고 원자가대로 다시 이동하여 MoS₂의 원자가대에서 전자를 여기시킬 수 있는 광자를 방출할 수 있습니다. 과정 "II"를 형성하기 위해 전도대에. 다른 한편으로, 여기된 전자가 ZnO-QD의 결함 에너지 준위에서 발생한다는 점을 제외하고 하이브리드 장치가 가시광선에 의해 조명될 때 유사한 프로세스가 발생했는데 [43], 이는 여기된 에너지를 낮출 것입니다. 결과적으로 이러한 여기된 전자-정공 쌍은 ZnO-QD에서 MoS₂로 이동합니다. 원시 장치와 비교하여 광전류가 크게 향상됩니다. 또한, 많은 흥분 운반 MoS₂ 그림 4c 및 d에서 관찰된 바와 같이 재조합 속도를 크게 증가시키고 응답 및 감쇠 시간을 감소시킵니다[42].