전체 잉크젯 인쇄를 사용하여 Ag 나노입자로 수정된 ZnO UV 광검출기

결과 및 토론

이 연구에서는 Ag NPs가 없는 잉크젯 인쇄된 ZnO UV 광검출기(이하 대조 샘플이라고 함)를 대조 샘플로 제작했습니다. 잉크젯 프린팅 ZnO 필름의 표면은 SEM으로 Fig. 1a와 같으며, 잉크젯 프린팅 ZnO 필름의 전형적인 표면 형태인 ZnO 필름의 결정 경계가 많이 있음을 알 수 있다. 잉크젯 인쇄 Ag NP(이하 Ag NP 샘플이라고 함)를 사용한 ZnO 광검출기의 표면 형태는 그림 1b와 같습니다. Ag NP가 ZnO 필름의 표면에 성공적으로 인쇄되었음을 분명히 관찰할 수 있습니다. Ag NPs 직경의 분포는 입자 크기 기기로 측정되었으며 그 결과는 그림 1d에 나와 있습니다. Ag NPs의 직경은 주로 20에서 65 nm까지 다양함을 알 수 있습니다. 두 샘플의 XRD 2세타-오메가 곡선이 그림 1c에 나와 있습니다. XRD 결과로부터 ZnO 막에 많은 결정 배향이 존재한다는 결론을 내릴 수 있으며, 이는 ZnO 막에서 고밀도 결정 경계가 유도됨을 나타냅니다. 결정 경계는 결정립계 산란 때문에 암전류를 감소시키는 것으로 생각된다[16]. Ag(111) 및 Ag(200) 피크는 38.17 및 44.45°에서 나타나며 이는 잉크젯 인쇄 Ag NP가 ZnO 필름에 성공적으로 제작되었음을 증명합니다.

a의 SEM 이미지 인쇄된 ZnO 및 b 인쇄된 Ag 나노입자로 인쇄된 ZnO. ㄷ Ag NP가 없는 ZnO 필름의 XRD 패턴. d Ag 나노 입자의 크기 분포. Liu et al. [22]

Ag NP가 ZnO 필름과 UV 광검출기의 특성에 미치는 영향을 밝히기 위해 PL, XPS 및 FDTD 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 그림 2에 나타내었습니다. 그림 2a에 표시된 정규화된 PL 스펙트럼에서, Ag NP 샘플의 녹색 발광이 대조 샘플에 비해 감소한다는 결론을 내릴 수 있으며, 이는 V_O -, V_Zn -, 그리고 O_i - 관련 결함은 부분적으로 부동태화됩니다[23,24,25]. 그림 2b의 XPS 결과는 또한 V_O의 밀도가 Ag NP 샘플의 경우 결함이 크게 감소합니다. 또한 대조 시료에서는 ZnO 필름의 극성으로 인한 표면 흡수로 인해 –OH 피크가 나타납니다[26]. ZnO의 표면은 Ag NPs에 의해 부동태화되기 때문에 흡수 효과가 약해지고 Ag NP 샘플에서 –OH 관련 피크가 나타나지 않습니다. Ag NP 시료의 XPS 결과를 대조 시료와 비교하면 XPS 데이터의 Ag–O 피크가 약 528 eV로 나타나며, 이는 Ag NP의 산화와 V_{Zn<의 부동태화에 의해 유도된 것으로 간주됩니다. /서브> . 벌크 Ag에 비해 Ag NPs에 비해 비표면적이 훨씬 증가하고 산화가 더 쉽게 일어나기 때문에 Ag 원자는 VZn 위치에 위치하게 됩니다. VZn를 부동태화하기 위한 O 원자와의 결합 및 결함 결함. 표면 플라즈몬(SP)으로 작동하는 Ag NP의 역할을 확인하기 위해 FDTD 시뮬레이션이 수행됩니다. 시뮬레이션을 위한 Ag NP의 직경은 대부분의 Ag 입자의 직경이 30~40 nm 범위이기 때문에 40 nm입니다. 모델은 그림 2c와 d에 표시되고 흡광도와 파장 사이의 관계는 그림 2e에 표시됩니다. 피크 흡수가 376.5nm에 위치하지만 365nm에서 여전히 강한 흡광도가 있습니다. 이는 Ag NP가 365nm에서 ZnO UV 광검출기의 표면 플라즈몬 역할을 진정으로 수행함을 의미합니다.}

아 Ag NP가 있거나 없는 ZnO 필름의 정규화된 PL 강도. ㄴ Ag NP가 있거나 없는 ZnO 필름의 O-1s 코어 수준에 해당하는 XPS 스펙트럼. ㄷ 단면 전계 분포 및 d FDTD에 의해 시뮬레이션된 ZnO 필름에서 Ag NP의 평면도 전계 분포. 이 FDTD에 의해 계산된 Ag NP가 있거나 없는 ZnO 필름의 흡수 곡선. Liu et al. [22]

그림 3과 같이 두 개의 UV 광검출기의 성능을 특성화하기 위해 서로 다른 조건에서 IV 테스트가 수행되었습니다. 전체 잉크젯 인쇄 Ag NP-modified ZnO UV 광검출기의 구조도와 물리적 사진은 그림 3에 나와 있습니다. 3a. 어두운 조건과 365 nm 광원에서 두 샘플에 대해 I-V 테스트를 수행했으며 그 결과를 그림 3b에 나타내었습니다. Ag NP 샘플은 대조 샘플보다 더 낮은 암전류 및 더 높은 광전류를 갖는 것을 알 수 있는데, 이는 Ag NP 샘플의 성능이 대조 샘플보다 우수함을 의미한다. 광전류 및 반응성의 경향(R ) 입사 전력의 변화에 ​​따른 변화를 각각 Fig. 3 c와 d에 나타내었다. 반응성은 다음 공식으로 계산됩니다[22]:

아 Ag NP-modified ZnO UV 광검출기의 도식적 구조와 삽입된 그림은 절곡에 의해 제작된 UV 광검출기의 광학 이미지입니다. ㄴ 어두운 조건에서의 I-V 특성 및 715 mW에서 365 nm UV. ㄷ , d 광전류 및 감응도의 경향은 입사력과 감응도가 다릅니다. 이 정규화된 탐지율(D *) 및 NEP의 역수(1/NEP). Liu et al. [22]

나 _빛 그리고 나 _어두운 각각 광전류와 암전류이다. 피 _안에 총 입력 전력을 활성 영역(A)으로 나눈 값과 동일한 입사광의 유효 전력을 나타냅니다. ) 광검출기. Ag NP 샘플의 광전류 및 반응성은 모두 P가 높을수록 증가하는 경향을 나타냅니다. _안에 , 대조 시료에 대한 광전류 경향은 거의 변하지 않았으나 반응성은 감소하는 경향을 보였다. 잡음 등가 전력(NEP) 및 정규화된 검출력(D* )는 다음 식으로 계산됩니다.

및 D 간의 관계 두 샘플에 대한 * 및 1/NEP는 그림 3e에 나와 있습니다. 매개변수 f 는 대역폭이고 △f =1이 이 작업에서 채택됩니다. 디 * 약한 빛을 감지하는 광검출기의 능력을 설명하고 NEP는 신호 대 잡음비(S/N)가 1일 때 입사광 전력입니다. 분명히 더 높은 D * 및 1/NEP는 UV 광검출기의 고성능을 나타냅니다. 그림 3e에서 Ag NP 수정 ZnO 광검출기가 더 높은 D를 달성할 수 있다고 결론지을 수 있습니다. * 및 1/NEP는 잉크젯 인쇄된 Ag NP가 잉크젯 인쇄 ZnO UV 광검출기의 성능을 향상시키는 데 사용할 수 있음을 증명합니다. 디 * 및 1/NEP는 Ag NP 샘플의 입사광 전력이 높을수록 증가하지만 식 (1), (2) 및 (3)에 따라 대조 샘플의 경우 감소하는 경향을 보입니다. 디 * Ag NP 수정 샘플의 경우 1.45 × 10 ¹⁰ 입니다. 5.72 × 10 ⁹ 보다 높은 0.715 mW 입사광 전력의 Jones 대조 샘플의 존스. 관련 프로세스를 탐색하는 작업이 처음이기 때문에 이 작업에서는 개선 사항이 크지 않아 보이지만 향후 연구에서 개선의 여지가 많습니다.

그림 3과 같은 I-V 테스트 결과의 변화 메커니즘을 설명하기 위해 V_O의 에너지 준위는 , V_Zn, 그리고 O_i 관련 결함은 그림 4의 참조 [27,28,29,30]에서 수집됩니다. V_O , V_O ⁺ , V_O ²⁺ , 및 V_Zn 결함은 홀 트랩[28, 30, 31]입니다. V_Zn ²⁻ 및 V_Zn ^- 결함은 각각 전자 트랩과 비방사성 재결합 중심[28]입니다. Ag NP 샘플의 경우, 캐리어 트랩의 농도는 그림 2a 및 b의 PL 및 XPS 결과에 따른 대조군 샘플의 농도보다 훨씬 낮습니다. 또한, The –OH는 ZnO 물질에서 얕은 도너로 간주되며, 전자를 쉽게 제공하여 자유 캐리어의 밀도를 증가시킬 수 있다[32]. 그림 2b에 표시된 XPS 데이터. 위의 분석에 따르면 서로 다른 조건에서 두 샘플의 단순화 된 밴드 다이어그램이 그림 5에 나와 있습니다. IV 테스트가 암 조건에서 수행되면 대조 샘플의 캐리어 밀도가 Ag NP 샘플의 캐리어 밀도보다 높을 것입니다. 그림 5 및 c에 표시된 것처럼 얕은 도너 및 표면 상태에서 여기된 자유 전자 때문입니다. 따라서 대조 샘플의 암전류는 Ag NP 샘플의 암전류보다 높으며 이는 그림 3b의 결과와 일치합니다. 더욱이, Ag NPs의 "쉐이딩 효과"는 또한 입사광의 에너지 손실을 야기할 것이며[18], Ag NP 샘플의 광전류 및 응답도가 낮은 조건에서 대조군 샘플보다 낮다는 사실을 초래할 것입니다. 사고력. 그러나 365 nm의 빛을 조사한 상태에서 I-V 테스트를 수행할 경우 대조 시료의 광전류는 입사 전력의 증가에 따른 유의한 증가 경향을 보이지 않았다. 캐리어 포획률과 트랩 밀도의 관계에 따르면,

V_O의 에너지 준위의 개략도 , V_Zn , 참조에서 수집한 Oi 관련 결함. NRC, 비방사성 재조합 센터; ET, 전자 트랩; HT, 홀 트랩. Liu et al. [22]

아 , b 어두운 곳과 365 nm 조명에서 각각 Ag NP를 사용한 캐리어 수송 및 ZnO 필름 생성에 대한 개략도. ㄷ , d 어두운 곳과 365 nm 조명에서 각각 Ag NP가 없는 캐리어 수송 및 ZnO 필름 생성에 대한 개략도. Liu et al. [22]

여기서 R _{n 0} 및 R _{p 0} 전자와 정공의 포획률, r _n 그리고 r _p 트랩 레벨의 트랩핑 계수, n 그리고 p 자유 전자와 정공의 농도를 표시하고 N _{만 0} 및 N _{tp 0} 이온화 전 전자 및 정공 트랩 결함의 농도를 각각 나타냅니다. 식 (4)와 (5)로부터, 트랩 레벨의 캐리어 포획율은 더 높은 자유 캐리어 농도와 더 높은 트랩 결함 밀도로 증가할 것이라고 결론지을 수 있다. 빛이 대조 샘플에 닿으면 고유 여기가 발생하고 많은 양의 자유 캐리어를 공급합니다. 캐리어가 갇힐 확률은 캐리어 밀도가 증가함에 따라 크게 증가하여 자유 캐리어 농도의 증가를 제한합니다. 한편, 이온화된 트랩 결함은 또한 캐리어의 산란 가능성을 증가시켜 캐리어의 이동성을 감소시키고 광전류의 증가를 더욱 제한하게 됩니다. 따라서, 대조군 샘플의 광전류는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 실질적으로 증가하지 않을 것이다. 3c 및 5d. 제어 샘플의 계산된 응답성은 그림 3d와 같이 입사 전력의 증가에 따라 광전류가 크게 증가하지 않기 때문에 입사 전력이 높을수록 감소합니다. Ag NP 샘플의 경우 Ag NP의 패시베이션 때문에 ZnO 필름의 트랩 결함 밀도와 표면 상태가 적습니다. 결과적으로 Ag NP 샘플의 암전류는 보호된 표면이 덜 얕은 도너 농도를 제공하기 때문에 대조군 샘플의 암전류보다 작을 것입니다. Ag NP 샘플을 365 nm 빛의 조사 하에서 테스트하면 그림 5b와 같이 Ag NP 표면 플라즈몬의 고유 여기와 효과가 향상됩니다. Ag NP 샘플에 트랩 결함이 적기 때문에 자유 캐리어 농도가 크게 증가합니다. 광전류는 입사 전력이 높을수록 크게 증가하는 경향을 나타내며, 이는 그림 3c에 표시된 결과에 해당합니다. Ag NP로 수정된 ZnO 검출기의 광전류와 입사광 전력 사이의 멱법칙 관계는 다음과 같습니다.

여기서 나 _PC 광반응[33]이다. 관계식(6)으로부터 Ag NP 시료는 입사되는 UV 광파워의 변화에 ​​매우 민감하게 반응함을 알 수 있다. 따라서 Ag NP의 응답성은 광전류의 상당한 증가로 인해 입사 전력이 높을수록 크게 증가합니다. 이것은 1/NEP 및 D의 변경에 기여할 것입니다. * 그림 3e와 같이 Ag NP가 완전한 잉크젯 인쇄로 제작된 ZnO UV 광검출기의 성능을 더욱 향상시킬 수 있음을 나타냅니다.

두 샘플의 시간 의존적 광전류는 그림 6a 및 c와 같이 바이어스 전압 20 V 및 입사 전력 0.715 mW로 20초 on/off 주기로 테스트됩니다. 두 샘플의 감쇠 시간은 2차 지수 감쇠 함수에 의해 피팅됩니다[34]. 그림 6b와 d에서 두 샘플의 상승 시간은 비슷하지만 감쇠 시간은 분명히 다르다는 결론을 내릴 수 있습니다. 감쇠 시간은 대조 샘플의 경우 3.01 s 및 8.12 s로 Ag NP 샘플의 1.08 s 및 3.30 s보다 훨씬 깁니다. 두 가지 붕괴 과정은 장치의 광 붕괴를 제어하는 ​​두 가지 별도의 물리적 메커니즘이 있음을 나타냅니다. 붕괴 시간의 현저한 감소는 잉크젯 인쇄 Ag NP가 잉크젯 인쇄 ZnO UV 검출기의 시간 분해능에 도움이 될 수 있음을 의미합니다. 감쇠 과정은 빛이 꺼질 때 트랩 레벨에서 방출되는 캐리어에 의해 발생하는 것으로 간주됩니다. 따라서 대조 샘플의 감쇠 시간이 긴 이유는 트랩 농도가 Ag NP 샘플의 농도보다 훨씬 높기 때문에 그림 2에서 배운 결과와 일치합니다. 대조 샘플의 턴온 전류 그림 6a에서 스위칭 시간에 따라 감소하는 경향을 보여주고 있는데, 이는 턴오프 전류가 증가함에 따라 트랩 레벨의 잔류 전하에 의한 캐리어 산란으로 인해 발생합니다. Ag NP 샘플의 경우 턴오프 전류는 모든 스위칭 기간에 거의 0에 도달하므로 트랩의 캐리어가 거의 완전히 해제됩니다. Ag NPs 샘플의 턴온 전류는 스위칭 시간에 따라 증가하는 경향을 나타내므로 추가 연구가 필요합니다. 여기에서 우리는 이 현상이 표면 플라즈몬의 관련 효과 또는 ZnO 물질의 메모리 특성에 의해 기여할 수 있다는 가설을 제시하고[35, 36], 이는 추후 연구에서 연구될 것입니다.

아 20 V에서 365 nm 조명이 있는 Ag NP가 없는 ZnO 필름의 시간 의존적 광전류 b Ag NP 광검출기가 없는 ZnO 필름의 반응. ㄷ 20 V에서 365 nm 조명의 Ag NP가 있는 ZnO 필름의 시간 의존적 광전류 d Ag NP 광검출기를 사용한 ZnO 필름의 반응. Liu et al. [22]