태양광 차단 다결정 산화갈륨(Ga2)의 물리적 및 전기적 특성에 대한 포스트 어닐링의 영향 O3 ) 사파이어 기판의 자외선 광검출기를 조사합니다. poly-Ga2의 입자 크기 O3 후 어닐링 온도(PAT)가 800°C에서 1000 °C로 증가하면 더 커지지만 PAT를 1100 °C로 더 올리면 작아집니다. Ga2의 투과 스펙트럼의 흡수 가장자리에서 청색 이동이 관찰됩니다. O3 사파이어 기판에서 Ga2로 Al의 통합으로 인해 PAT가 증가함에 따라 사파이어에서 O3 형성하다 (Alx Ga1–x )2 O3 . 고해상도 X선 회절 및 투과 스펙트럼 측정은 (Alx의 치환 Al 조성 및 밴드갭을 나타냅니다. Ga1–x )2 O3 1100 °C에서 어닐링된 제품은 각각 0.30 및 5.10 eV 이상일 수 있습니다. R 최대 1000 °C에서 열처리된 시료의 온도는 증착된 그대로의 소자에 비해 약 500% 증가했으며, 1000 °C에서 열처리된 시료는 상승 시간이 0.148 s와 0.067 s로 감소 시간이 짧습니다. 이 작업은 poly-Ga2 제작을 위한 길을 열 수 있습니다. O3 자외선 광검출기를 사용하여 반응성과 응답 속도를 향상시키는 방법을 찾으십시오.
<섹션 데이터-제목="배경">심자외선(DUV) 태양광 블라인드 광검출기는 강력한 간섭 방지 능력의 고유한 장점으로 오존 구멍 모니터링 및 화염 감지와 같은 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다[1]. 실리콘 및 게르마늄과 같은 기존 반도체 재료와 비교할 때 와이드 밴드갭 반도체 재료는 자외선에 대한 선택도가 더 좋고 열악한 환경에서 더 나은 적응성을 갖는 태양 블라인드 광검출기에 이상적인 재료로 간주됩니다[2]. 많은 연구자들이 AlGaN, MgZnO 및 Ga2에 집중해 왔습니다. O3 DUV 태양광 블라인드 광검출기[2,3,4]. 가2 O3 우수한 광학적 특성, 화학적 안정성, 밴드갭 4.8 eV의 고강도로 주목받고 있는 태양광 블라인드 광검출기 재료[5,6,7,8,9,10,11,12, 13]. 가2 O3 분자빔 에피택시(MBE)[5, 6], 고주파 마그네트론 스퍼터링(RFMS)[7], 펄스 레이저 증착(PLD)[8, 9], 원자층 증착(ALD)에 의해 외부 기판에 박막을 얻었습니다. )[10], 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE)[11], 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD)[12], 졸겔법[13]. 이 중 RFMS 증착은 제어가 용이하고, 고효율이며, 무해하고, 저비용이라는 장점으로 인해 다양한 필름을 제조하는데 널리 사용되어 왔다. 따라서 우리는 이 방법을 사용하여 Ga2를 성장시켰습니다. O3 DUV 태양광 블라인드 광검출기용 박막
이 작품에서 poly-Ga2 O3 태양 블라인드 광검출기는 사파이어 기판에 제작되었습니다. Al 원자가 사파이어 기판에서 Ga2로 통합되었음을 보여줍니다. O3 형성하다 (Alx Ga1–x )2 O3 열처리 후. 구조적 특성, 치환 Al 조성 x , 광학적 특성 및 poly-(Alx의 광검출기 성능 Ga1–x )2 O3 PAT(post annealing temperature)가 다른 필름을 조사했습니다.
<섹션 데이터-제목="방법">이 실험에서 poly-Ga2 O3 박막은 RFMS에 의해 600°C에서 RFMS에 의해 120 W의 스퍼터링 전력으로 단일 연마(0006) 방향 사파이어 기판에서 성장되었습니다. 작동 압력은 5 mTorr로 일정하게 유지되었고 아르곤의 흐름은 증착 내내 20 sccm였습니다. 사파이어에 증착된 필름의 두께는 약 164 nm로 측정되었습니다. 증착 후 공기 분위기에서 800 °C, 900 °C, 1000 °C, 1100 °C에서 1 시간 동안 사후 열처리를 수행하였다. 어닐링 후, 샘플을 100°C/min의 속도로 실온으로 냉각시켰다. 그런 다음 30 nm Ti 및 80 nm Ni가 전극으로 마그네트론 스퍼터링에 의해 증착되었습니다. Interdigital 전극 패터닝 및 에칭 후 Ga2의 금속 접촉 O3 질소 분위기에서 470 °C의 급속 열처리에 의해 형성되었습니다[14]. 제작된 poly-Ga2 O3 태양 블라인드 광검출기는 그림 1과 같이 금속-반도체-금속(MSM) interdigital 전극을 가지고 있습니다. 손가락은 1.8 cm입니다.
<그림>
poly-Ga2 기반 광검출기의 개략도 O3 박막
Ga2의 구조적 특성 O3 필름을 고해상도 X선 회절(HRXRD)로 조사했습니다. 그림 2는 다른 온도에서 증착 및 어닐링된 샘플에 대한 HRXRD 곡선을 나타냅니다. \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), (111), \( \left(\overline{4}02\right) \), (600), ( 510) 및 \( \left(\overline{6}03\right) \) β-Ga2 평면 O3 결정 [15]은 Ga2 O3 필름은 단사정계 β-Ga2로 구성됩니다. O3 무작위 방향의 다결정. 증착된 샘플은 다른 평면에 비해 (400) 평면에 대해 더 높은 피크 강도를 나타냅니다. PAT는 \( \left(\overline{2}01\right) \), (400), \( \left(\overline{4}02\right) \) 및 \ ( \left(\overline{6}03\right) \) 평면.
<그림>
다양한 온도에서 열처리를 하지 않은 경우와 처리한 경우의 샘플 XRD 피크
그림 3a와 b는 각각 \( \left(\overline{2}01\right) \) 및 \( \left(\overline{6}03\right) \) 평면에 대한 HRXRD 피크에 중점을 둡니다. Debye-Scherrer 공식[16]을 풀어 Ga2의 결정질 품질의 의존성을 평가함으로써 피크의 반치폭(FWHM)을 사용하여 결정립 크기를 계산했습니다. O3 PAT의 영화. 표 1에서 PAT가 800 °C에서 1000 °C로 증가함에 따라 어닐링 온도가 높을수록 Grain 크기가 더 커지지만 PAT 1100 °C에서는 Grain 크기가 약간 감소함을 알 수 있습니다. Al2에서 Al의 확산 O3 Ga2로 기질 O3 1000 °C 이상의 PAT를 거친 필름은 널리 관찰되었습니다[17,18,19]. 그림 3c에서 볼 수 있듯이 HRXRD의 피크가 더 높은 회절각으로 이동하는 것은 사파이어 기판의 Al이 Ga2로 확산되기 때문입니다. O3 형성할 필름(Alx Ga1–x )2 O3 어닐링 후.
<그림>
a의 XRD 피크 \( \left(\overline{2}01\right) \) 평면 및 b \( \left(\overline{6}03\right) \) 열처리 전후의 샘플 평면. ㄷ 피크 위치 및 d \( \left(\overline{2}01\right) \) 및 \( \left(\overline{6}03\right) \) 평면
의 평면 간격브래그의 법칙에 따라 평면 간격 d (Alx의 \( \left(\overline{2}01\right) \) 및 \( \left(\overline{6}03\right) \) 평면 Ga1–x )2 O3 는 각각 계산되어 그림 3d에 표시됩니다. Ref.에 따르면 [20], 격자 매개변수는 a로 계산할 수 있습니다. =(12.21 − 0.42x ) Å, b =(3.04 − 0.13x ) Å, c =(5.81 − 0.17x ) Å, β =(103.87 + 0.31x ) °. d \( \left(\overline{6}03\right) \) 는 [21]
로 표현됩니다. $$ \frac{1}{d^2}=\frac{h^2}{a^2{\sin}^2\beta }+\frac{k^2}{b^2}+\frac{ l^2}{c^2{\sin}^2\beta }-\frac{2 hl\cos \beta }{ac\sin^2\beta }, $$ (1)여기서 h =-6, k =0 및 l =3. 그림 3d의 값을 기준으로 x 폴리-(Alx Ga1–x )2 O3 달성 될 수있다. 밴드갭 E g (Alx Ga1–x )2 O3
로 계산할 수 있습니다. $$ {E}_{\mathrm{g}}(x)=\left(1-x\right){E}_{\mathrm{g}}\left[{Ga}_2{O}_3\right ]+{xE}_{\mathrm{g}}\left[{Al}_2{O}_3\right]- nx\left(1-x\right), $$ (2)여기서 E g [가2 O3 ] =4.65 eV, E g [알2 O3 ] =7.24 eV, n =1.87 eV [22]. 계산된 x 및 E g 폴리-(Alx의 값 Ga1–x )2 O3 표 2에 나와 있습니다. x 0.30 이상의 값은 1100 °C에서 PAT 후 샘플에서 달성됩니다.
Fig. 4의 AFM(Atomic Force Microscope) 이미지는 증착된 필름과 800 °C와 900 °C에서 열처리된 시료의 표면 RMS(root-mean-square) 거칠기 값이 3.62 nm, 10.1 nm, 및 각각 14.1 nm. 높은 PAT로 인한 재결정화로 인해 입자 크기가 더 커지며 이는 거친 표면으로 추가로 확인할 수 있습니다.
<그림>
a의 AFM 이미지 증착된 폴리-Ga2 O3 사파이어, b 800 °C 및 c에서 열처리된 샘플 900 °C
E의 값 g (Alx Ga1–x )2 O3 어닐링 전후의 박막은 투과 스펙트럼을 측정하여 특성화하였다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 어닐링된 샘플은 증착된 샘플과 비교하여 흡수 가장자리에서 청색 편이를 갖는다. 더 짧은 λ Al의 혼입으로 인해 PAT가 증가함에 따라 획득됩니다. 더 가2 O3 샘플은 가시 범위에서도 매우 낮은 투과율을 보입니다. 이는 재료의 결함에 의해 유도된 비방사성 복합 흡수 때문일 수 있습니다. 흡수 계수 α 영화의 계산은 [23, 24]
$$ \alpha =\left(1/t\right)\ln \left[{\left(1-r\right)}^2/T\right], $$ (3) <그림><소스 유형="image/webp" srcset="//media.springernature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03324-x/MediaObjects/11671_2020_3324_Fig5_HTML.png? /출처>
아 증착 및 어닐링된 폴리-(Alx)의 투과 스펙트럼 Ga1–x )2 O3 샘플 b (α 히v ) 2 vs. hν poly-Ga2에 대한 곡선 O3 시료. 수평 축에 대한 선형 영역의 외삽은 E를 추정합니다. g 가치
여기서 T 투과율, r 는 반사율이며 t 는 필름 두께입니다. 흡수 계수 α 사이의 관계 및 입사 광자 에너지 hν 형식의 거듭제곱 법칙을 따릅니다.
$$ \left(\alpha h\nu \right)=B{\left( h\nu -{E}_{\mathrm{g}}\right)}^{1/2}, $$ (4)여기서 B 는 흡수 가장자리 폭 매개변수[23]입니다. 이러한 공식을 사용하여 hν 사이의 관계는 그리고 (α 히v ) 2 그림 5b와 같이 얻을 수 있습니다. 플롯의 선형 영역을 수평 축으로 외삽함으로써 E g 샘플의 값은 4.65 eV, 4.72 eV, 4.78 eV, 4.81 eV 및 5.10 eV로 평가됩니다. 표 2와 같이 실험 E g 샘플의 값은 HRXRD 결과를 기반으로 계산된 값과 일치합니다.
반응성을 조사하려면 R 및 광전류 나 사진 폴리-(Alx Ga1–x )2 O3 광검출기, 광학 측정 다양한 조명 λ P가 있는 220 ~ 300 nm 빛 0.5 mW/cm 2 . R
에 의해 계산됩니다. $$ R=\left({I}_{\mathrm{photo}}-{I}_{\mathrm{dark}}\right)/\left({P}_{\mathrm{light}}S\ 오른쪽), $$(5)나 어두운 암전류 및 S 유효 조명 영역입니다. 그림 6은 최대 R에서 가시적인 파란색 이동을 보여줍니다. 증착된 필름과 비교한 어닐링된 샘플의. 이것은 더 큰 E g 사파이어 기판에서 Ga2로의 Al 확산으로 어닐링 후 의 다결정 샘플이 얻어졌습니다. O3 형성하다 (Alx Ga1–x )2 O3 . R 최대 1100 °C에서 어닐링된 장치의 35 μA/W는 MBE[5], PLD[25] 및 sol에 의해 성장된 0.037A/W, 0.903A/W 및 1.13mA/W보다 작습니다. -gel 방법 [26], 각각 poly-Ga2 O3 도 5a에 도시된 바와 같이 낮은 투과율을 갖는다. 그러나 기탁된 기기에 비해 R 최대 1000 °C에서 어닐링된 장치의 온도는 약 500% 증가합니다. R R보다 짧은 파장에서 장치 감소 최대 , [27]과 유사하다. 이것은 E 이상의 광자 에너지의 경우 캐리어의 이완 과정에서 발생하는 에너지 손실 때문일 수 있습니다. g 재료의. R 최대 800 °C에서 1000 °C로 증가하는 PAT와 함께 증가하는 것은 필름의 증가된 입자 크기에 기인합니다.
<사진>
R 대 조명 광학 λ 폴리-(Alx Ga1–x )2 O3 V의 광검출기 편견 5 V
그림 7은 광전류 I를 보여줍니다. 사진 , 암전류 나 어두운 , PDCR 대 바이어스 전압 V 편견 0.5 mW/cm 2 조도에서 광검출기용 및 λ 254 nm. 도 7a에 도시된 바와 같이, I 사진 V와 거의 선형으로 증가합니다. 편견 . 또한 PAT가 800 °C에서 1000 °C로 상승함에 따라 광검출기는 더 큰 I를 얻습니다. 사진 . 하지만 나 사진 광자의 에너지가 1100 °C에서 어닐링된 샘플의 방갑보다 작아 광 캐리어를 생성할 수 없기 때문에 1100°C에서 열처리된 소자의 소자는 증착된 샘플보다 낮습니다. 어닐링된 샘플은 더 높은 I 어두운 도 7b에 도시된 바와 같이 증착된 샘플보다. 재결정이 poly-Ga2의 전도도를 향상시키는 것으로 추측됩니다. O3 , 결과적으로 I 사진 그리고 나 어두운 PAT가 1000 °C인 샘플의 PDCR이 다른 샘플의 PDCR보다 높습니다. 900°C에서 어닐링된 샘플의 암전류가 다른 것보다 더 크다는 것을 알 수 있습니다. 이는 PAT가 증가함에 따라 캐리어가 증가했기 때문일 수 있지만 PAT가 추가로 증가함에 따라 Al과 Ga의 상호확산이 발생합니다. 사파이어 기판, 따라서 필름의 전도성을 파괴합니다[17].
<그림>
아 나 사진 -V 편견 , b 나 어두운 -V 편견 , 및 c 증착된 폴리-(Alx)의 PDCR 특성 Ga1–x )2 O3 0.5 mW/cm 2 의 조명 강도에서 서로 다른 온도에서 어닐링된 필름 및 샘플 및 λ 254 nm
광검출기의 광응답 특성은 그림 8a에 나와 있습니다. λ의 조명 측정하는 동안 254 nm의 파장이 사용되었습니다. 피 빛 , V 편견 , 주기는 0.5 mW/cm 2 입니다. , 5 V 및 5 s. 상승 및 소멸 과정에는 빠른 응답과 느린 응답의 두 가지 절차가 있습니다. 일반적으로 빠른 응답 성분은 빛이 켜지거나 꺼지는 즉시 캐리어 농도의 급격한 변화에 기인할 수 있는 반면[28], 광 생성 캐리어는 밴드갭의 결함 수준에 의해 갇힐 수 있습니다. UV 조명 동안 캐리어 수집을 지연하고 빛이 꺼질 때 재결합하여 응답이 느린 구성 요소를 생성합니다. 다양한 온도에서 열처리된 광검출기의 정량적 비교 연구를 위해 상승 및 감쇠 과정을 다음 유형의 이지수 완화 방정식에 맞출 수 있습니다[29].
$$ I={I}_0+{Ce}^{-t/{\tau}_1}+{De}^{-t/{\tau}_2}, $$ (6) <그림><소스 유형="image/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03324-x/MediaObjects/11671_2020_3324_Fig8_HTML.png? /출처>
아 광반응 특성의 시간 의존성 b 상승 및 감쇄 시간
나 0 정상 상태 광전류, t 시간은 C입니다. 그리고 디 상수, τ 1 그리고 τ 2 두 이완 시간 상수입니다. 상승 시간 τ r1 그리고 τ r2 각각 빠른 응답과 느린 응답에 해당하며 감쇠 시간 τ d1 그리고 τ d2 표 3과 같이 각 광검출기의 감도를 계산하였다. 열처리 후 응답시간이 감소함을 명확히 알 수 있다. 상승 시간 τ r1 0.215 s에서 0.148 s로 감소하고 감쇠 시간 τ d1 0.133에서 0.067 s로 감소합니다. 어닐링 과정이 poly-Ga2의 산소 결손 농도를 감소시킨다는 사실에 기인합니다. O3 영화 [28]. 직접 전이는 광 발생 불균형 캐리어의 주요 소스가 되어 빠른 응답 시간이 감소합니다. 감쇠 시간 τ d2 1.072에서 0.634 s로 감소하여 어닐링된 샘플에서도 더 적은 산소 결손 및 기타 결함이 있음을 나타냅니다. 이는 과도 붕괴의 시간 상수가 일반적으로 이러한 트랩에 의해 지배되기 때문입니다. 또한, PAT로 증가된 입자 크기는 광 캐리어 운송 시간을 줄여 장치의 이완 시간 특성을 향상시킬 수 있습니다.
표 4는 I 어두운 , 상승 시간(τ r ) 및 감쇠 시간(τ d ) β-, α- 및 ε-Ga2 기반 태양맹 광검출기 O3 RFMS[30] 및 기타 기술[2, 6, 26, 31,32,33,34]에 의해 합성된 박막. 보시는 바와 같이 소자는 암전류가 낮고 응답시간이 빠르기 어렵습니다만, 우리가 제작한 광검출기는 암전류가 낮고 응답시간이 빠릅니다.
요약하면, 우리는 poly-Ga2를 증착했습니다. O3 c면 사파이어 기판에 마그네트론 스퍼터링에 의한 박막, 다른 온도에서 열처리 후 열처리; 그런 다음 자외선 poly-Ga2 O3 광검출기를 제작했다. 기탁 상태의 Ga2와 비교 O3 박막, 어닐링된 샘플은 재결정화 및 Al의 Ga2로의 확산으로 인해 더 큰 결정립 크기와 더 넓은 밴드갭을 가집니다. O3 . R 최대 1000 °C에서 열처리된 소자의 경우 증착된 상태의 소자에 비해 약 500% 증가했으며, 1000 °C에서 열처리된 샘플은 5 V의 바이어스에서 0.0033 nA의 낮은 암전류를 나타냅니다. 1000 °C에서 어닐링된 필름에 제작된 은 각각 0.148 s 및 0.067 s의 상승 및 감쇠 시간으로 빠른 응답 시간을 보여줍니다. 이러한 결과는 암전류가 낮고 응답 시간이 빠른 DUV 광검출기를 제작하는 데 유용합니다.
이 기사의 결론을 뒷받침하는 데이터 세트가 기사에 포함되어 있습니다.
산화갈륨
포스트 어닐링 온도
심자외선
분자빔 에피택시
무선 주파수 마그네트론 스퍼터링
펄스 레이저 증착
원자층 증착
할로겐 증기상 에피택시
금속-유기 화학 기상 증착
금속-반도체-금속
고해상도 X선 회절
최대 절반에서 전체 너비
원자력 현미경
평균제곱근
나노물질
초록 마찰전기 나노발전기(TENG)의 출력 전력은 마찰전기 물질, 특히 미세구조 및 작용기의 성능에 크게 의존합니다. 이 연구에서는 우수한 마찰 전기 능력을 목표로 층별 적층을 통해 풍부한 플루오르 그룹(-F)을 갖는 교대로 적층된 MXene 복합 필름 기반 TENG를 설계 및 제조합니다. Nb2의 양이 많을 때 균일한 고유 미세구조와 증가된 유전 상수의 이점 CTx 나노시트는 Nb2를 기반으로 하는 TENG가 15wt%로 증가합니다. CTx /Ti3 C2 Tx 복합 나노 시트 필름은 최대 출력을 달성합니다. 8.06μA/c
초록 이 연구에서는 무기 주석 도핑된 페로브스카이트 양자점(PQD)을 탄소 기반 페로브스카이트 태양 전지(PSC)에 통합하여 광전지 성능을 향상시킵니다. 한편, Sn2+의 콘텐츠를 제어함으로써 도핑을 통해 주석 도핑된 PQD의 에너지 수준을 조정하여 최적화된 밴드 정렬과 광 생성된 전자-정공 쌍의 향상된 분리를 실현할 수 있습니다. 반면에 self-p-type doping 효과로 인해 상대적으로 높은 수용체 농도를 제공하는 tin-doped PQDs의 혼입은 페로브스카이트 후면 부근의 공핍 영역의 폭을 감소시킬 수 있어 구멍 추출
