무선주파수 마그네트론 스퍼터링 증착법으로 제조한 표면 플라즈몬(SPs) 보조 MgZnO 금속-반도체-금속(MSM) 자외선 광검출기를 제안하고 입증했습니다. 표면에 백금 나노입자(Pt NPs) 장식 후 모든 전극 간격(3, 5, 8 µm) 광검출기 응답도가 극적으로 향상됐습니다. 놀랍게도 더 큰 전극 간격 시료에서 더 많은 SPs가 모였음에도 응답도는 더 작은 간격 시료가 더 높았습니다. SPs와 공핍 영역 폭에 초점을 맞춘 물리적 메커니즘으로 이 결과를 설명합니다.
ZnO는 넓은 직밴드갭(~3.37 eV) 산화물 반도체로 방사선 경도와 환경 친화성을 가져 단파장 광전자 소자, 예컨대 자외선 광검출기 제작에 적합합니다. 그러나 p형 도핑 미성숙 등 솔라 블라인드 기술 미비로 ZnO 기반 UV 광검출기 성능은 아직 기대에 미치지 못합니다. 고성능 ZnO 기반 UV 광검출기 제작을 위해 재료 품질 향상과 소자 기술 최적화가 일반적이고 효과적이지만 이는 보통 장기 과정입니다[1-7].
최근 표면 플라즈몬(SPs)이 기초 과학적 중요성과 유망한 실용 응용으로 큰 주목을 받습니다. SPs는 마그네트론 스퍼터링으로 금속 NPs 표면 코팅으로 실현 가능합니다. 표면 금속 NPs는 입사 광자 산란을 증강시켜 더 많은 광자가 기판에 도달하게 하고 광자 흡수를 강화합니다[8-18]. 많은 최근 연구에서 Ag 나노입자가 더 나은 소재로 여겨지나, Ag는 ZnO-Ag 계면에서 산화돼 산화은(AgO) 층을 형성할 수 있습니다[19]. 세계적으로 새로운 안정적 금속인 백금(Pt)은 SP가 자외선 영역에 있어 플라즈모닉 소재 중요 후보입니다. 또한 평면 소자 구조, 빠른 광응답, 간단한 제작 공정 장점으로 금속-반도체-금속(MSM) 구조가 MgZnO 광검출기에 선호됩니다. 그러나 장벽 높이와 공핍 영역 폭의 결합 효과에 대한 체계적 조사는 부족했습니다. 본 연구에서는 서로 다른 활성층과 전극 간격을 가진 MgZnO UV 광검출기를 설계 제작했습니다.
본 논문에서는 무선주파수 마그네트론 스퍼터링으로 제조한 SPs 보조 MgZnO MSM UV 광검출기를 제작했습니다. 가장 중요한 것은 소자 표면에 금속 Pt NPs를 스퍼터링해 광검출기 응답도를 향상시켰다는 점입니다. 전극 간격 3, 5, 8 µm 비교 시 더 큰 간격 시료에서 더 많은 SPs가 모였음에도 응답도는 더 작은 간격 시료가 더 높았습니다. 이론적으로 더 많은 SPs면 더 많은 광생성 전자-정공 쌍이 생성돼 광전류가 증가해야 합니다. 놀라운 현상으로 이 방법은 광검출기 성능 향상의 강력한 보완책임을 입증했습니다.
MgZnO 타깃은 99.99% 순도 MgO와 ZnO 분말 혼합물을 1000°C 공기 분위기에서 10시간 소결해 제조한 후 아연 타깃 위에 배치했습니다(두 타깃이 고온 전도성 테이프로 밀착. Zn 타깃 직경 7 cm). MgZnO 빔 플로우가 Zn 빔 플로우로 둘러싸여 Zn 원자 손실을 효과적으로 줄입니다[20]. MgZnO 박막 조성을 고기판 온도에서도 쉽게 제어할 수 있습니다.
석영 기판을 아세톤, 에탄올, 탈이온수로 30분씩 순차 세척 후 공기 건조했습니다. MgZnO 박막을 석영 기판에 먼저 성장시켰으며, 총 압력 3 Pa, 스퍼터링 전력 120 W, 상온 조건이었습니다. 마지막으로 리소그래피와 습식 식각으로 상부 Au 핑거 전극을 제작했습니다. 전극은 길이 500 µm, 폭 5 µm, 간격 3, 5, 8 µm, 핑거 쌍 합계 15개였습니다(그림 1은 광검출기 개략도).
MgZnO 박막 상 확인은 Rigaku Ultima VI X선 회절계(XRD, Cu Kα 방사선 λ=1.54184 Å, 40 kV, 20 mA)로 수행했습니다. 흡수 스펙트럼은 PerkinElmer Lambda 950 분광계로 200-700 nm 범위에서 측정했습니다. MgZnO 광검출기 전류-전압(I-V) 특성은 Agilent 16442A 테스트 픽스처로 20 V 바이어스 하에서 측정했습니다. MgZnO 광검출기 분광 응답은 Zolix DR800-CUST로 기록했습니다.
MgZnO 박막의 상이한 스퍼터링 시간 XRD 패턴은 그림 2에 나타냈습니다. 약 34.84° 회절 피크는 MgZnO (002) 면에 인덱싱돼 MgZnO 박막 결정이 전형적으로 c-축 방향으로 성장함을 나타냅니다. Pt NPs 무첨가와 Pt NPs 스퍼터링 증착 MgZnO 피크 강도가 거의 동일해 Pt NPs가 MgZnO 박막 표면에 증착돼 결정 품질에 영향을 주지 않음을 입증합니다. 그림 3은 Pt NPs 무첨가와 스퍼터링 증착 MgZnO 박막 광흡수 스펙트럼[21, 22]으로, SP 모드 덕분에 Pt NPs 증착 검출기에서 흡수 향상이 발생함을 시사합니다. 순수 MgZnO 박막 대비 Pt NPs 코팅 MgZnO 박막 흡수가 스펙트럼 범위에서 향상됐습니다. 동시에 MgZnO 박막을 에너지 분산 분광기(EDS)로 분석했으며 마그네슘 농도는 약 24%였습니다(그림 3 인셋). 20초 스퍼터링 후 Pt NPs가 있는 MgZnO 표면 평면 SEM 이미지는 그림 4에 나타냈습니다. Pt NPs 평균 직경은 약 6.26±0.50 nm였습니다.
그림 5는 5 V 바이어스에서 전극 간격별 MgZnO 광검출기 파장 의존 응답도입니다. Pt NPs 장식으로 모든 검출기 응답도 향상 경향이 완전히 증가했습니다. 동일 조건에서 모든 광검출기 응답도는 전극 간격 감소(3, 5, 8 µm)에 따라 증가했습니다. 따라서 응답도 향상 지배적 요인은 Pt NPs 효과입니다. 결과는 바이어스 전압 변경 등 기존 방법과 달리 응답도 향상 범위를 쉽게 제어 가능함을 보여줍니다. 놀랍게도 더 큰 간격 시료에서 더 많은 SPs가 모였음에도 응답도는 더 작은 간격 시료가 더 높았습니다. 이론적으로 더 많은 SPs가 흥분되면 더 많은 광생성 전자-정공 쌍이 생성돼 광전류가 증가해야 합니다. 이 현상은 이론과 모순됩니다. MgZnO 광검출기 비선형 I-V 특성(그림 6)은 전형적인 쇼트키 금속-반도체 접촉 형성을 나타냅니다. 또한 동일 바이어스에서 전극 간격 감소에 따라 암전류가 증가하는데, 이는 금속-반도체 접합 공핍 영역 폭으로 설명 가능합니다.
흥미로운 현상의 본질을 밝히기 위해 향상된 응답도와 암전류 간 원인으로 두 가지 가능성을 제안합니다: (1) 이상적 MgZnO 광검출기 조합 타깃을 위해 Pt NPs로 소자를 다시 개질했습니다. 매칭 파장 입사광이 금속 NPs와 산란 단면적이 기하학적 단면적보다 훨씬 큰 표면 플라즈몬 결합을 통해 효율적으로 상호작용합니다. 플라즈모닉 산란 효과 메커니즘은 문헌에 기술돼 있습니다. 이로써 산란광이 MgZnO 층에서 일정한 각도 확산을 얻어 입사광이 반도체를 여러 번 통과하게 돼 유효 광학 경로 길이가 증가합니다. 무엇보다 광학 경로 길이 증가는 빛 흡수를 강화합니다. Pt NPs 장착 소자 광응답 스펙트럼이 무장착 소자보다 점차 높았습니다(그림 7a는 SPs 개략도). (2) 공핍 영역 폭(W)은 왜 모든 MgZnO 광검출기 응답도가 동일 바이어스에서 전극 간격 감소에 따라 증가하는지 설명합니다. 공핍 영역 폭은 다음과 같이 기술됩니다[23]:
W = [2ε₀ε₁(ψ₀+V)/qN_d]¹/² (1)
여기서 ε₀는 절대 유전율, ε₁은 상대 유전율, ψ₀는 내장 전위, V는 바이어스 전압, q는 전자 전하, N_d는 도너 농도입니다. 전극 간격 증가 시 반도체 박막 면적 증가로 유효 저항이 증가합니다. ε₀, ε₁, ψ₀, V, q, N_d는 불변이므로 전극 간격 증가에 따라 공핍 영역이 넓어져 공핍 영역에 작용하는 전압이 감소합니다. 공핍 영역 내 광생성 캐리어만 높은 전기장에 의해 휩쓸려 금속 전극으로 드리프트합니다. 따라서 광생성 캐리어 양이 증가해 응답도 경향이 간격 증가와 반대됩니다(그림 7b는 공핍 영역 폭 개략도). 그러나 모든 광검출기 응답도는 전극 간격 3, 5, 8 µm에서 바이어스 전압 일정 조건 하 감소합니다. 동일 NP 크기와 밀도에서 더 큰 전극 간격은 더 많은 흥분 NPs를 가지며 근접장 반도체 결합 능력이 더 강합니다. 이론적으로 더 많은 광생성 전자-정공 쌍이 생성돼 광전류가 증가해야 합니다. 주목할 점은 모든 광검출기 응답도가 전극 간격 3, 5, 8 µm 감소에 따라 증가하고 바이어스 전압이 일정하다는 점입니다. 위에서 언급한 대로 지배적 요인은 공핍 영역 폭으로 이 흥미로운 현상을 설명합니다. 모든 결과는 SPs를 통한 응답도 개선의 실현 가능 경로를 드러냅니다. 다른 일반적인 소재나 이전 광검출기와 비교해 MgZnO 성장 중 Zn 원자 다량 손실이 발생하는데, 이는 Mg 증기압이 Zn보다 높기 때문입니다. Zn 원자 결핍으로 박막에 많은 결함이 형성돼 광 캐리어가 결함에 의해 재결합돼 솔라 블라인드 광검출기 응답도가 크게 감소합니다. 또한 Zn 원자 손실로 조성 무질서와 변동이 불가피해 흡수 가장자리 투 테일 현상이 따르며, 결과적으로 UV-가시광 차단비와 검출도가 저하됩니다. 따라서 박막 화학량론비 제어가 MgZnO 광검출기 성능 향상 경로가 될 수 있습니다. SPs는 마그네트론 스퍼터링으로 금속 NPs 표면 코팅으로 실현 가능합니다. 표면 금속 NPs는 입사 광자 산란을 증강시켜 더 많은 광자가 기판에 도달하게 하고 광자 흡수를 강화합니다. 이론적으로 더 많은 SPs면 더 많은 광생성 전자-정공 쌍이 생성돼 광전류가 증가합니다. 전극 간격 3, 5, 8 µm 비교 시 더 큰 간격 시료 응답도에서 더 많은 SPs가 더 작은 것들 차례대로 모였음을 입증했습니다.
이상적 MgZnO 광검출기를 위해 서로 다른 전극 간격(3, 5, 8 µm) MgZnO MSM 자외선 광검출기를 제작했습니다. 그런 다음 소자 표면에 Pt NPs를 장식하는 새로운 접근법으로 소자 성능을 향상시켰습니다. 놀랍게도 더 큰 간격 시료에서 더 많은 SPs가 모였음에도 응답도는 더 작은 간격 시료가 더 높았습니다. 더 넓은 공핍 영역 폭을 상세히 설명해 응답도 최적화를 설명했고, Pt NPs SPs가 입사광 산란을 강화해 박막 광검출기 추가 연구에 유익함을 제안합니다. 고품질 MgZnO UV 광검출기 개발을 위한 추가 연구가 진행 중입니다.
나노물질
초록 본 논문에서는 유기-금속 삼할라이드 페로브스카이트보다 높은 안정성을 제공하는 광활성 물질로 무기 페로브스카이트 CsPbI2Br과 CsPbIBr2를 조사했습니다. 단일 단계 용액 공정에서 발생하는 열악한 박막 품질 문제를 해결하기 위해 반용매 공정을 이용한 CsPbIxBr3−x 박막 제조법을 개발했습니다. 스핀 코팅 공정에서 디에틸 에테르(DE)를 반용매로 도입한 것이 성공적이었으며, 반용매가 박막 품질에 미치는 영향을 연구했습니다. 이 방법으로 제작된 소자는 고성능, 자가 구동 기능을 가지며, 안정화된 광검출기는 빠른 응답 속
커플링의 정의와 종류 커플링(Coupling)이란 두 개의 축을 연결하여 동력을 전달하는 장치입니다. 정렬 정밀도와 토크 요구 사항에 따라 강성 커플링과 유연 커플링으로 나뉩니다. 축 커플링(Shaft Coupling)은 구동축과 피동축 같은 두 개의 회전축을 연결하여 동력을 전달하는 기계 부품입니다. 모터, 펌프, 발전기, 압축기 등에 널리 사용됩니다. 축 커플링의 작동 원리 위 그림과 같이 커플링을 사용하여 두 축을 연결할 수 있습니다. 축 직경이 달라도 문제없습니다. 위 그림에서 모터는 구동 측, 프로펠러는 피동 측입니다
