초고성능 UV-가시광 광검출기: ZnO-QD/단층 MoS₂ 이종구조

초록

단층 MoS₂은 우수한 광응답 특성을 보이나, 원자 두께 제한 흡수와 밴드갭 제한 분광 선택성으로 고감도 광검출 유망 응용에 어려움이 있습니다. 여기서는 ZnO 양자점(ZnO-QDs) 장식 유무에 따른 단층 MoS₂ 기반 광검출기 비교 연구를 수행했습니다. 단층 MoS₂ 광검출기와 비교해 단층 ZnO-QDs/MoS₂ 하이브리드 소자는 더 빠른 응답 속도(각각 1.5 s, 1.1 s), 확장된 광대역 광응답 범위(심자외선-가시광), 가시광 영역 향상된 광응답(0.084 A/W 이상 응답도, 1.05×10¹¹ Jones 이상 검출도)을 보였으며, 이는 ZnO-QDs와 MoS₂ 접촉 계면에 존재하는 I형 이종구조로 인한 ZnO-QDs에서 MoS₂로 상당량 캐리어 주입 결과입니다.

하이라이트

단층 MoS₂은 우수한 광응답 특성을 보임
ZnO-QDs/MoS₂ 하이브리드 소자: 더 빠른 응답 속도, 확장된 광대역 광응답 범위, 가시광 영역 향상된 광응답
ZnO-QDs/MoS₂ 접촉 계면에 I형 이종구조 존재

서론

광대역 광검출기는 광전자 시스템, 광통신, 환경 모니터링 등 중요 구성요소입니다[1-5]. 특히 UV-가시광 광검출기는 광대역 광검출기 중 하나로 생체 의료 영상 시스템, 자외선 천문학, 광대역 스위치, 메모리 저장 등에 사용됩니다[6-8]. 따라서 이 광대역 영역에서 고효율 광응답 갖는 다양한 소재 제작이 매우 필요합니다[9, 10]. 가장 연구된 전이 금속 디칼코게나이드(TMD) 중 하나인 2D 이황화 몰리브덴(MoS₂)은 차원 축소[11-13], 높은 캐리어 이동도, 강한 전자-정공 구속, 높은 광감도 등으로 다양한 전자·광전자 소자 구축에 뛰어난 잠재력 보입니다[14-16]. 그러나 단층 밴드갭 1.8 eV로 MoS₂은 보통 UV-가시광 범위보다 녹색광 영역에서 우수한 광흡수 보입니다. 이 광대역 광응답 범위 달성을 위해 더 큰 밴드갭 소유 다른 반도체와 이종접합 구축이 가장 효과적 해결책 중 하나로, 응답 범위를 가시광에서 자외선 영역으로 확장할 뿐만 아니라 광여기 캐리어 주입해 광이득 크게 향상시킬 수 있습니다.

II형 이종접합은 2D 물질 기반 광검출기에서 가장 널리 연구된 유형으로, 내장 전기장이 캐리어 효율적 분리로 광전류 증강하지만 캐리어 재결합 시간 연장되어 응답 시간 느려집니다. 비교해 I형 이종접합 에너지 밴드 구조는 더 큰 밴드갭 물질에서 더 좁은 밴드갭 물질로 전하 주입 가능해 좁은 밴드갭 물질 내 전하 축적 유도합니다. 또한 물질 내 구속된 전하가 캐리어 재결합 효율 증가시켜 I형 기반 소자 빠른 응답 시간 갖게 합니다. 위 장점으로 I형 이종접합, 특히 양자점(QDs)과 층상 물질 간 형성 이종접합에 상당한 관심 집중되었습니다. 이러한 2D-0D 하이브리드 구조는 QDs와 층상 물질 간 형성된 I형 이종접합으로 광흡수 증강, 밴드갭 조정 용이, 응답·감쇠 시간 감소, 광여기 전하 농도 촉진 등 이유로 고성능 광검출기로 최근 주목받습니다[17-19].

여러 와이드 밴드갭 반도체 중 산화아연(ZnO)은 넓은 밴드갭(3.37 eV), 높은 엑시톤 결합 에너지(60 meV), 자외선 조명 시 빠른 스위칭 시간으로 UV 광검출에 잘 확립된 소재입니다[1, 20]. 최근 ZnO-QDs는 독특한 광학적 특성, 큰 표면적-부피 비, 조절 가능한 광학 밴드갭으로 광전자 분야 널리 응용됩니다[21, 22]. 또한 양자 터널링과 전하 트래핑 상태가 ZnO-QDs 표면에서 발생하는데, 전하 캐리어 세 방향 모두 구속되기 때문입니다. 따라서 2D MoS₂와 ZnO-QDs 기반 I형 하이브리드 이종구조 제시해 높은 광흡수, 응답도, 검출도, EQE, 전류 온/오프 비 등 우수한 UV-가시광 광대역 광응답 실현 매우 중요합니다.

본 연구에서는 간단한 공정으로 제작된 단층 ZnO-QDs/MoS₂ 하이브리드 구조 기반 광검출기 보고합니다. 단층 MoS₂와 ZnO-QDs 간 형성된 I형 이종접합으로 소자 빠른 응답 속도, 확장된 광대역 광응답 범위(심자외선-가시광), 향상된 광흡수, 광응답, 검출도 보입니다. 또한 0.073 mW/cm² 전력 밀도(PD)에서 405-nm 빛 조사 시 응답도 0.084 A/W 도달해 동일 파장 하이브리드 광검출기와 비교 가능합니다[23, 24]. 따라서 본 연구가 광검출기 성능 향상과 고성능 광전자 소자 빌딩 블록 확장에 방법 제공할 수 있습니다.

방법 섹션

삼각형 단층 MoS₂ 성장

삼산화 몰리브덴(MoO₃, 99.99%)과 황(S, 99.5%)을 사용해 화학 기상 증착(CVD) 공정[7]으로 사파이어 기판 위에 고결정성 삼각형 MoS₂ 플레이크 합성했습니다. 기판 사파이어는 아세톤, 알코올, 탈염수 초음파 세척 각 10분 수행했습니다. 이후 3 mg MoO₃ 분말 담긴 알루미나 보트 위에 단단히 정렬 배치하고, 보트를 석영관에 넣어 퍼니스 고온 영역 위치시켰습니다. 이어 120 mg 황(S) 분말 담긴 또 다른 보트도 석영관에 넣고 저온 영역 위치시켰습니다. 성장 전 진공 펌프로 관 배기하고 순수 아르곤(Ar) 가스(99.999%)로 여러 번 퍼지해 관 내 산소와 수분 제거했습니다. 이후 MoO₃ 분말 온도 400°C 상승 10분 유지, 다시 780°C 상승. 650°C 도달 시 황 분말 온도 5분 내 150°C 상승. 고온·저온 영역 최종 온도 5분, 15분 유지, 아르곤 가스 10 sccm 유량으로 관 플러시. 퍼니스 실온 냉각 후 기판 위 성장 시료 획득했습니다.

ZnO 양자점 합성

ZnO 양자점은 실온 졸-겔 법으로 합성했습니다. 아세트산 아연 이수화물(Zn(Ac)₂·2H₂O) 0.878 g을 80 mL 트리에틸렌 글리콜(TEG) 원추 플라스크에 첨가하고 격렬 교반; 수산화 리튬 일수화물(LiOH·H₂O) 0.252 g을 용액에 점진적 첨가. 5시간 이상 교반 후 용액 맑아지고 자외선 여기 하 녹색 형광 관찰. 24시간 교반 시 훨씬 강한 형광. 병 밀봉 후 얼음물에서 30분 초음파 처리. 이어 에틸 아세테이트 첨가해 침전 나타날 때까지. 최종적으로 침전 원심분리로 ZnO 양자점 분말 시료 수집, 아세톤 3회 세척 미반응 전구체 제거, 70°C 6시간 가열, 에탄올 1시간 분산.

ZnO-QDs/단층 MoS₂ 소자 제작

사파이어 기판 위 성장한 단층 MoS₂ 위에 직접 Au/Ti 전극 제작해 소자 구성 위해 통상 포토리소그래피 사용했습니다. 양성 포토레지스트 4000 rpm 1분 스핀 코팅, 90°C 1분 베이킹. 포토리소그래피 시스템으로 단층 MoS₂ 위 전극 패턴 제작. 이후 열증착으로 Ti 박막(5 nm)과 Au 박막(50 nm) 순차 증착, 아세톤 리프트오프로 포토레지스트 부착 Ti/Au 박막 제거해 전극 형성. 이후 200°C 2시간 Ar(100 sccm) 흐름 하 어닐링 잔류물 제거해 MoS₂와 전극 간 더 나은 접촉 형성. 최종적으로 ZnO-QDs 에탄올 용액(2 mg/mL) 분산, 단일 방울 떨어뜨려 1000 rpm 60초 스핀 코팅 MoS₂ 소자 위, 70°C 10분 베이킹; 이 과정 3회 반복해 MoS₂ 표면 충분한 ZnO-QDs 커버 보장.

특성 분석

광학 이미지는 Motic BA310Met로 성장 MoS₂ 형태 검증. 원자력 현미경(AFM) 높이 데이터 Bruker Dimension FastScan 기록. 라만 매핑, 라만 스펙트럼, 광발광(PL)은 532-nm 여기 레이저로 상온에서 라만 시스템(InVia-Reflex) 기록. X선 회절(XRD)은 D8 Advance 인시투 X선 분말 회절계로 8°·min⁻¹ 속도 측정. 투과전자현미경(TEM)과 고분해능 투과전자현미경(HRTEM)은 FEI Tecnai G2 F30 기기(200 kV)로 조사. 시료 용액(2 mg/mL) 탄소 코팅 구리 그리드 떨어뜨려 70°C 진공 건조 오븐 하룻밤 건조. UV-Vis 확산 반사 및 흡수 스펙트럼 분광광도계(Lambda950, PerkinElmer) 획득.

광전 성능 특성 분석

소자 전자기 간섭 방지 위해 밀폐 상자 테스트. DUV-가시광 레이저(VIASHO) 생성. 지름 0.7 cm 빛 스팟 수직 조사해 소자 완전 조사 보장. 빛 전력 강도 전력 에너지 미터(Thorlabs PM100D) 실리콘 파워 헤드(Thorlabs S120VC) 측정. 모든 광전 측정 소스미터(Keithley 2636B) 수행.

결과 및 논의

ZnO-QDs/단층 MoS₂ 광검출기 형태 및 구조

ZnO-QDs 용액 스핀 코팅으로 ZnO-QDs/MoS₂ 소자 제작했습니다(그림 1a). 그림 1b 평균 변 길이 25 μm 단층 MoS₂ 플레이크 광학 이미지. 그림 1c AFM 이미지 MoS₂ 플레이크 두께 ~0.8 nm로 삼각형 MoS₂ 플레이크 단층임을 나타냅니다[25]. 또한 그림 1d 라만 스펙트럼 384.24 cm⁻¹, 403.18 cm⁻¹ 두 라만 활성 모드는 각각 평면 내 E¹_2g, 평면 외 A_1g 해당. 두 피크 차이 18.94 cm⁻¹. 그림 1e PL 스펙트럼 1.84 eV 피크 존재. 두 결과 모두 단층 MoS₂ 구별 특징[26]. 그림 1f 해당 라만 매핑 MoS₂ 플레이크 균일 두께 나타냄.

ZnO-QDs 자발 방출 효과로 발광 관찰됨(그림 2a). 그림 2b 분말 ZnO-QDs XRD 패턴 JCPDS 카드 no. 36-1451 일치, 다른 피크 없어 ZnO 존재 검증 및 전구체 아세톤으로 완전 제거 의미. QDs 물질 XRD 패턴 벌크나 분말 물질보다 넓은 반치 최대 폭(FWHM) 경향[27], 우리 제작 ZnO 분말에서도 관찰. ZnO-QDs 에탄올 분산 평균 크기 분포 확인 위해 TEM, HRTEM 사용; 해당 이미지 그림 2c, d. ZnO-QDs 평균 크기 4.3±1.87 nm; 100개 이상 ZnO-QDs 통계적 TEM 분석 결과. 그림 2d HRTEM 이미지에서 ZnO-QDs 0.28 nm 격자 간격으로 높은 결정질 보여주며 결정질 ZnO (100) 면 해당.

ZnO-QDs/단층 MoS₂ 광검출기 광전 성능

ZnO-QDs/MoS₂ 소자 암실 및 조명(532 nm) 하 전류-편향 전압(I-V) 특성 그림 3a, 삽입도는 음전압 고배율 I-V 특성. 최고 온/오프 비 약 100, 0.5 V 전압에서 측정. 소자 유효 면적 185.71 μm², 레이저 PD 1.97-24.08 mW/cm² 범위. 단층 MoS₂와 전극 사이 쇼트키 접촉으로 I-V 곡선 비대칭. 쇼트키 장벽 접촉 영역 장점: 광여기 전자-정공쌍 짧은 시간 분리, 전자-정공 재결합율 감소로 높은 광전류와 빠른 응답 속도 달성 유리[28-30]. PD 증가 시 양전압 인가 시 광전류 유의미 증가, 모든 추가 측정 V_ds=1 V 수행.

응답도(R_λ)는 광검출기 핵심 매개변수로 R_λ=I_ph/PS 정의, P 빛 PD, S 감광 유효 면적. 그림 3b ZnO-QDs/MoS₂ 소자 3D 응답도 맵 제시, 다양한 V_ds와 PD 영향 반영. 순수 소자 vs ZnO-QDs 장식 소자 성능 차이 알아보기 위해 405-nm 레이저 조명 V_ds=1 V에서 광전류(I_ph=I_light−I_dark) 빨간 점, 응답도(R_λ) 녹색 점 플롯 비교(그림 3c). 광전류 I_ph∼P^α 피팅, P 빛 PD, α 멱법칙 지수. 측정된 광전류 피팅으로 순수 MoS₂ α=0.8, ZnO-QDs/MoS₂ α=0.84 달성. 계산된 α≈1은 광여기 캐리어 재결합 손실 적음 의미[31]. 순수 소자 최대 광전류 0.168 nA(레이저 PD 24.08 mW/cm²), 낮은 레이저 PD 0.073 mW/cm²에서 0.028 A/W 응답도. 동일 PD에서 ZnO-QDs/MoS₂ 소자 0.667 nA 더 높은 광전류, 0.084 A/W 응답도. 이 결과 ZnO-QDs 장식으로 단층 MoS₂ 소자 광전류 유의미 향상됨 보여줍니다. 또한 광검출 중요 매개변수 외부 양자 효율(EQE)과 검출도(D*) 추가 계산 비교. EQE=hcR_λ/λe, h 플랑크 상수, c 빛 속도, λ 여기 빛 파장, e 기본 전자 전하. D*는 광검출기 감도 정량화, I_dark 주요 노이즈 기여 가정 시 D*=R_λS^1/2/(2eI_dark)^1/2 정의. 그림 3d 순수 소자 최대 EQE(빨강) 8.5%, D*(녹색) 3.84×10¹⁰ Jones(레이저 PD 0.075 mW/cm²). 동일 PD에서 ZnO-QDs/MoS₂ 소자 최대 EQE 25.7%, D* 1.05×10¹¹ Jones로 둘 다 순수 소자 약 3배 높음. 우리 하이브리드 소자 달성 D*는 그래핀 양자점/WSe₂/Si 이종접합(4.51×10⁹ Jones), 그래핀/그래핀 QDs/그래핀 구조(~10¹¹ Jones) 등 층상 물질 기반 보고된 많은 광검출기와 경쟁 가능[32, 33]. 우리 소자 I_dark 1 V 바이어스에서 0.1 nA 미만 극소값으로 감소, 그래핀-실리콘 이종접합 광검출기 I_dark(제로 바이어스 0.1 nA)[34]와 비교 가능.

순수 소자 vs ZnO-QDs 장식 소자 다양한 파장 레이저 노출 광전류 그림 4a. 405 nm, 532 nm, 635 nm 모두에서 명확한 광전류 향상 존재, 와이드 밴드갭 ZnO 양자점이 가시광 검출 성능 향상 가능함 시사. 하이브리드 소자 광대역 분광 응답 추가 조사: 254-nm 빛 PD 0.26 mW/cm², 375-nm 빛 PD 0.51 mW/cm² 조사 시 우수한 광응답 특성 관찰(그림 4b). 게다가 800 nm 초과 파장 빛 조사 시 하이브리드 소자 응답 없음. UV 빛 조명 전력 낮음에도 광전류 가시광 조명 훨씬 높은 PD 대비 훨씬 높거나 최소 비교 가능. ZnO-QDs 와이드 밴드갭이 UV 빛 조사 시 더 많은 광자 흡수 허용해 다량 캐리어 생성·MoS₂ 전달로 광전류 크게 확대 때문으로 여겨짐. 또한 250초 동안 6회 온/오프 전환 후 광전류와 암전류 여전히 레벨 유지, 하이브리드 소자 우수한 광 안정성 입증.

빠른 응답 속도 광검출기 광통신, 비디오 영상 등 분야 적합. 광검출기 또 다른 중요 매개변수 응답 시간 입사 635-nm 빛 PD 35 mW/cm² 조사 하 조사. 본 연구에서 상승 시간과 감쇠 시간 정의: 소자 초기 전류에서 평형값 90% 도달 시간, 그 반대. 순수 소자 상승 시간 9.5 s, 감쇠 시간 17.4 s로 느린 응답 속도, 주로 물질 결함 도입 밴드갭 트랩 상태 때문[35]. MoS₂ 광검출기 ZnO-QDs 장식 후 그림 4c, d처럼 상승·감쇠 시간 1.5 s, 1.1 s로 감소, 각각 84.2%, 93.7% 단축. 이 결과 ZnO-QDs가 MoS₂ 광검출기 응답 시간 크게 단축시켜 하이브리드 광검출기 실용 응용 적합 후보 만듦 입증. 하이브리드 광검출기 장기 안정성 평가 위해 1개월(3일 간격) 소자 광전류 측정(그림 4e); 광전류/암전류 비율(PDCR=I_ph/I_dark) 적용. 대기 노출 1개월 후 소자 PDCR 명백한 열화 없음; 삽입 이미지 day 1, day 31 측정 전류 거의 동일 레벨 유지; 명확히 이 하이브리드 광검출기 장기 광검출 좋은 안정성 가짐.

광응답 메커니즘

여기서 ZnO-QDs/MoS₂ 광검출기 광검출 성능 향상 메커니즘 조사. 먼저 수치 시뮬레이션으로 하이브리드 구조 흡수 확인. 유한 요소법으로 상단 공기 도메인, 하단 사파이어 기판 구성 계산 모델 구축. 모델 상하 완전 정합 레이어(PML) 절단해 가짜 반사 방지. 사파이어 기판 굴절률 상수 1.75 설정. 처음 각각 0.8-nm 두께 MoS₂ 층, 4.5-nm 두께 ZnO 층 사파이어 기판 위 배치 독립 흡수 확인. MoS₂ 단층 굴절률 참고문헌[36], ZnO 참고문헌[37] 인용. 이후 동일 사파이어 기판 위 하이브리드 층(ZnO 위 MoS₂) 배치 전체 흡수 조사. 그림 5a에서 하이브리드 층 400 nm 미만 파장 영역 맨 MoS₂ 단층 대비 향상된 흡수 보임, ZnO-QDs 장식 후 더 나은 UV 흡수 나타냄. 실험적 UV-Vis 흡수 스펙트럼 MoS₂, ZnO-QDs, ZnO-QDs/MoS₂ 확인, 계산 결과와 일치. 그림 5b에서 단층 MoS₂ UV-가시광 파장 광대역 흡수 범위 보임, 파장 NIR 증가 시 흡수 피크 없음. ZnO-QDs 흡수 피크 UV 파장 위치, MoS₂ 대비 더 큰 흡수율 존재. ZnO-QDs 장식 후 ZnO-QDs/MoS₂ 맨 MoS₂보다 강한 흡수 능력 보임, 이종구조 더 강한 빛-물질 상호작용 나타냄. 해당 타우크 플롯 그림 5c, MoS₂, ZnO-QDs 밴드갭 각각 ~1.77 eV, ~3.42 eV 계산, 선행 보고값 근접[27, 38].

선행 보고[39, 40] 기준 MoS₂, ZnO-QDs 모두 n형 반도체, 일함수 각각 4.7 eV, 5.3 eV. MoS₂ 전자 친화도 약 4.3 eV[41], ZnO-QDs(4.2 eV)[42]보다 약간 큼. MoS₂, ZnO-QDs 밴드갭 타우크 플롯 계산 기준 1.8 eV, 3.4 eV 고려. MoS₂, ZnO-QDs 접촉 전후 에너지 밴드 구조 그림 6a, b 구성해 광검출 성능 향상 메커니즘 조사.

MoS₂/ZnO-QDs 이종접합 반데르발스 힘으로 형성, 계면 I형 밴드 정렬로 향상된 응답도 설명 가능[42]. 이 이종구조 UV 빛 조사 시 ZnO-QDs, MoS₂ 모두 강하게 광자 흡수해 전자 원자가대→전도대 이동, 과정 'I' 발생. 이후 전자 ZnO-QDs 전도대→MoS₂ 전도대 주입 열적 교반으로 과정 'V' 형성, 동시에 ZnO-QDs 전도대 일부 전자 MoS₂ 전도대 터널링, 과정 'III' 결과. 정공 ZnO-QDs 원자가대→MoS₂ 해당 원자가대 이동, 과정 'IV' 표시. 또한 자발 방출로 ZnO-QDs 전도대 일부 전자 원자가대 복귀 광자 방출, MoS₂ 원자가대 전자 전도대 여기 과정 'II' 형성. 반면 가시광 조명 시 유사 과정 발생, 단 여기 전자 ZnO-QDs 결함 에너지 준위[43]서 유래해 여기 에너지 낮아짐. 결과적으로 이 광여기 전자-정공쌍 ZnO-QDs→MoS₂ 전달로 순수 소자 대비 광전류 유의미 향상. 또한 MoS₂ 다량 여기 캐리어 재결합율 크게 증가시켜 응답·감쇠 시간 감소[42], 그림 4c, d 관찰됨.

결론

요약하면, 단층 MoS₂/ZnO-QDs 하이브리드 구조 기반 광검출기 보고합니다. 단층 MoS₂ 대비 ZnO-QDs 장식으로 가시광 영역 광응답 유의미 향상뿐만 아니라 심자외선(DUV) 영역 확장. 가시광 여기 시 이 하이브리드 소자 더 빠른 응답 속도(각각 1.5 s, 1.1 s), 0.084 A/W 이상 높은 응답도, 1.05×10¹¹ Jones 큰 검출도 보임. 이는 ZnO-QDs→MoS₂ 다량 캐리어 주입 기인. 또한 하이브리드 소자 실온 대기 노출 우수한 안정성 보임. 따라서 본 연구 광검출기 성능 향상과 고성능 광전자 소자 빌딩 블록 확장 방법 제공할 수 있습니다.