높은 컨덕턴스를 가진 위상 절연체 나노시트의 극도로 향상된 광전류 응답

결과 및 토론

그림 1d–f는 선형 전압-전류 관계를 보여줍니다. 이것은 Pt 전극과 나노시트 사이의 금속성 특성과 옴 접촉을 나타냅니다. 측정된 전도도, G , 4 × 10 ⁻⁵ , 0.006 및 7 × 10 ⁻⁵ (S) 두께가 각각 202, 178 및 58 nm인 나노시트의 경우. 전도도는 1000(S/m) 이상으로 나노시트의 매우 높은 결정 품질을 지원합니다.

그림 2a–c는 측정된 전류를 광 전력 강도의 함수로 보여줍니다. 그림 2d–f는 측정된 전류가 광 전력 강도에 비례함을 보여줍니다[27, 28]. 관계는 I로 표현될 수 있습니다. _켜기 =β 피 ^α +나 _꺼짐 , 여기서 나 _켜기 는 빛으로 측정된 전류, I _꺼짐 빛 없이 측정된 전류, β 광전류 응답과 관련된 상수, P 는 광도이며 α 는 장치와 빛 사이의 조명 조건과 관련된 상수입니다. 더 큰 나 _켜기 더 큰 I _꺼짐 . 광전류, 나 _ph 는 나로 정의됩니다. _켜기 -나 _꺼짐 . 표 1은 피팅 결과를 나열합니다. 그것은 α 두께가 다른 모든 나노시트에 대해 ≈1이며, 이는 이러한 나노시트에서 일관된 광학 특성을 지원합니다. β /G 1.1×10 ⁵ 입니다. ±0.2×10 ⁵ (A /WS) 모든 나노시트에 대해. 이것은 관찰된 광전류가 유효 전도도에 비례함을 나타냅니다. 이 발견은 시스템 기하학과 물질 밴드 구조 외에도 나노시트의 유효 전도도가 광전류 응답을 지배하는 중요한 요소가 될 것임을 뒷받침합니다.

아 , b , 및 c 두께가 다른 3개의 샘플에서 광 전력 강도의 함수로 측정된 전류를 보여줍니다. d , e , 및 f 측정된 전류가 광 전력 강도에 비례함을 나타냅니다. 더 큰 나 _켜기 더 큰 I _꺼짐

나 _ph 주입된 광자와 나노시트 사이의 상호작용에 의해 유도된 전자-정공 쌍에서 비롯됩니다. 유도된 전자와 정공은 전기 바이어스가 가해지면 반대 방향으로 흐릅니다. 효과적인 나 _ph 인가 전압과 전자-정공 쌍의 양에 비례합니다. 더 많은 광자가 주입되면 더 많은 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 빛의 투과 깊이는 빛의 세기에 따라 짧고 약하다. 광 투과 깊이는 나노시트의 두께보다 작은 위상 절연체에서 대략 20nm인 것으로 보고되었습니다[23, 24]. 나 _ph 두께가 광 투과 깊이보다 클 때 나노시트 두께와 무관해야 합니다. 나노시트 표면적은 3의 비율로 분포하지만 관찰된 I _ph 2차 차이에 걸쳐 퍼집니다. 효과적인 유도 전자-정공 쌍 외에도 관찰된 다른 I _ph 본질적 속성에서 비롯되어야 합니다. I에 대한 외부 기하학 효과를 배제하기 위해 _ph 이러한 나노시트의 성능, 반응성, R을 정량적으로 결정 는 다음 방정식을 사용하여 계산됩니다.

여기서 P 그리고 S 는 각각 광도와 유효면적입니다.

그림 3은 R을 보여줍니다. R Bi 기반 위상 절연체 및 저차원 재료에서 광 전력 강도가 증가함에 따라 크게 감소합니다[25, 26]. 우리의 결과는 R 그리고 G 진공에서 빛의 세기와 무관합니다. 이는 실험 조건에서 광 투과 깊이가 나노시트 두께보다 짧아야 함을 추가로 뒷받침합니다. 더 큰 R 더 높은 전도도를 갖는 나노시트에서 관찰된다. 이것은 관찰된 더 높은 광반응이 나노시트 기하학이나 실험 조건이 아닌 고유한 수송 특성에서 비롯된다는 것을 뒷받침합니다.

3개의 Sb₂의 반응성 Se₂ 테 나노시트. 그것은 반응성에 대한 광 전력 강도의 약한 의존성을 나타냅니다. 전도성이 더 높은 나노시트에서 더 높은 반응성이 관찰됩니다.

그림 1에서 볼 수 있듯이 선형 전압-전류 관계는 나노시트가 금속성 거동을 나타낸다는 것을 뒷받침합니다. 빛에 의해 유도된 전자-정공 쌍은 적용된 전압 바이어스로 인해 2개의 전극 접점으로 이동합니다[27-29]. 옴의 법칙에 따라 관련 광전류는 I _ph =V 지 여기서 V 는 두 전극 사이에 적용된 전압 바이어스입니다. 나 _ph G에 비례합니다. .

그림 4는 R을 보여줍니다. G의 기능으로 로그 로그 플롯에서. Sb₂의 데이터 포인트 Se₂ Te는 이 작업에서 측정된 결과이고 Sb₂의 데이터 포인트는 세테₂ 동일한 결정 성장 조건 및 측정 설정에서 이전 작업에서 추출되었습니다[27]. Sb₂의 두께 세테₂ 나노시트는 약 180nm입니다. 파장은 532nm입니다. 둘 다 Sb₂ Se₂ Te 및 Sb₂ 세테₂ R 빛의 세기와 무관합니다. 이러한 데이터 포인트는 나노시트 컨덕턴스의 넓은 범위에 걸쳐 점선의 경향을 따릅니다. 이는 R G에 비례합니다. , 이는 우리의 제안과 일치합니다.

나노시트 컨덕턴스의 함수로서의 반응성. 반응성이 나노시트 전도도에 비례함을 보여줍니다. Sb₂ 세테₂ 데이터는 보고된 값에서 가져온 것입니다.

광전류 응답이 더 높은 시스템은 잠재적인 응용 분야에 매우 선호됩니다. 특정 밴드 구조와 밴드 갭을 가진 새로운 재료나 시스템을 찾는 것 외에도 시스템에 적절한 처리를 하는 것도 광응답을 향상시키는 적절한 방법이 될 것입니다. 우리의 실험 결과는 고유 전기 전도도가 광전류 응답을 최적화하는 데 중요한 요소임을 뒷받침합니다. 이것은 적절한 성장 조건을 통해 달성될 수 있습니다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광전류는 컨덕턴스 조정을 통해 강화된 2차수이다. 이 연구는 다른 연구자들이 간단한 전기 테스트를 통해 추가 실험 연구를 위한 더 나은 시스템을 선택하는 데 적합한 지침을 구성하도록 안내할 수 있습니다.

R V에서의 탐지력 =0.1V 731 및 2.6×10 ¹⁰ 에 도달 더 높은 전도성을 가진 나노시트에서. 이 광반응은 (Sb, Bi)₂에 보고된 모든 값보다 큽니다. (테, 세)₃ 위상 절연체 및 저차원 재료 [27, 28] 및 보고된 여러 이종 구조보다 낮습니다. 최근 광전류 분야에서 저차원 물질이 큰 주목을 받고 있다. 이러한 저차원 재료에서 보고된 전도도가 매우 높다는 사실에 주목해야 합니다. 이것은 전도도가 광전류 응답을 지배하는 중요한 요소가 될 것이라는 우리의 실험 결과와 일치합니다.

그림 5는 R을 나타냅니다. 진공 및 대기에서 광출력 강도의 함수로. R 광도가 500Wm ⁻² 보다 낮으면 급격히 감소합니다. 분위기에. 이는 감소하는 R 대기의 낮은 광도에서 Sb₂ 표면에 흡착된 분자의 영향으로 인해 발생할 수 있습니다. Se₂ 테 나노시트.

532 nm 파장에서 광 출력 강도의 함수로서의 반응성 및 광전도 이득. 반응성은 진공에서 약한 광 전력 강도 의존성입니다. 광출력 세기가 500 W 미만일 때 대기 중에서 광출력 세기가 감소함에 따라 응답도가 감소합니다. /나 ²

광반응은 시료 표면의 상태에 극도로 민감합니다. 유효 응답 영역의 감소 외에도 표면 결함 및 산화는 캐리어 이동성과 수명을 감소시킬 수 있습니다.

최근 Bi₂ 표면에 분자가 흡착되어 있다는 보고가 있습니다. Se₃ 위상 절연체는 구조를 구부리고 추가 2DEG로 이어집니다. 이 유도된 2DEG는 효과적인 캐리어 이동성을 향상시킬 것입니다[30]. 캐리어 이동도가 높은 시스템은 캐리어 이동 시간을 줄이고 더 높은 광전류를 생성할 수 있습니다. 반면에 향상된 캐리어 이동성은 광 전력 강도와 무관해야 합니다. 이는 관찰된 R 억제는 본질적인 전송 특성이 아니라 주로 유효 빛나는 영역에서 발생합니다. 따라서 R의 하락은 낮은 광 전력 강도의 공기 중에서 고유한 복합 캐리어 이완 효과보다 흡착된 분자 그림자 효과와 더 관련이 있어야 합니다.

반응성의 정의는 입사 광자에 대한 유도된 캐리어의 비율이며 \(R=\eta \frac {q}{hf},\) 여기서 q로 표현될 수도 있습니다. , hf , 및 η 는 각각 캐리어 전하, 광 에너지 및 양자 효율입니다. η 재료의 특성과 빛의 파장과 직접적인 관련이 있습니다. 다른 외부 및 내부 효과를 배제하고 분자 그림자 효과를 최적화하기 위해 R (아 나 r )/R (v 아 ㄷ )는 광 전력 강도의 함수로 플롯됩니다. 그림 6과 같이 power intensity가 증가함에 따라 비율이 증가하고 high power intensity에서 점차 포화됩니다.

광출력 강도의 함수로서 진공에서의 반응성에 대한 공기에서의 반응성의 비율. 데이터 포인트는 이론적 근거와 잘 어울립니다. 삽입된 그림은 진공에서의 반응성에 대한 공기에서의 반응성의 비율이 광출력 강도의 역수에 음의 비례한다는 것을 보여줍니다.

입사 광자 수가 Y인 모델을 제안합니다. , m 광자는 물질과 상호작용하고 n 광자는 표면에 흡착된 분자에 의해 차단됩니다. 즉, Y =나 +n . Z 는 하나의 광자에 의한 평균 유도 광전류 캐리어 수입니다. 극도로 약한 광도에서 광수는 총 분자 단위보다 훨씬 적으며 유효 광전류는 통계적 계산을 따라야 하며 결과는 양자 효율 η ,

이 정적으로 계산하면 유효 광전류가 약한 광출력 강도와 긴 이완 시간의 한계에서 광출력 강도와 강하게 관련됨을 뒷받침합니다. 광자 수는 "포토 캐리어 생성기"보다 작을 수 있습니다. 효과적인 광전류는

와 빛의 세기에 정비례합니다. R (아 나 r )/R (v 아 ㄷ )은 Y의 역수에 음의 비례합니다. Y에 약하게 의존 Y 상황에서 ≫n . 그림 6에서 볼 수 있듯이 측정된 데이터 포인트가 이론 방정식과 잘 일치함을 분명히 보여주고 삽입된 데이터 포인트는 빛의 세기에 반비례하는 데이터 포인트를 보여줍니다. 이는 관찰된 광전류 강하가 주로 표면에 흡착된 분자의 그림자 효과에서 비롯된다는 것을 뒷받침합니다. \(\frac {R(air)}{R(vac)}\)는 고출력 강도에서 대략 0.4이며 이는 표면이 흡착된 분자로 40% 덮임을 나타냅니다.

그림 7의 왼쪽 하단 삽입은 시간에 따른 광전류를 보여줍니다. 충전 과정은 e로 설명할 수 있습니다. ^{−그 /카} , 여기서 k 는 특성 시정수입니다. 우리의 실험 결과는 측정된 광전류가 피팅 라인과 잘 맞는다는 것을 보여줍니다. 오른쪽 상단 삽입은 추출된 충전 시간 상수를 두께의 함수로 보여줍니다. 두께가 증가함에 따라 시간 상수가 감소함을 보여줍니다. 이 거동은 균일한 전류 흐름 과정으로 이해될 수 있습니다[27, 28]. 한편, 서로 다른 대기압의 충전 및 방전 시정수를 결정합니다. 충전 시상수는 방전 시상수와 거의 같으며 대기압이 낮을수록 시상수가 길어지는 것을 알 수 있다.

왼쪽 하단 삽입은 충전 과정에서 시간에 따른 광전류를 보여주며 피팅 라인과 잘 어울립니다. 오른쪽 상단 삽입은 두께의 함수로 충전 시간 상수를 보여줍니다. 압력에 따른 충전 및 방전 시정수