본 연구에서는 약한 빛에 대한 단말 결합(end-bonded) 콘택트 InAsSb NW(나노와이어) 어레이 검출기의 간단한 제조를 시연합니다. 검출기는 GaAs 기판에서 분자빔 에피택시(MBE)로 성장한 InAsSb NW 어레이를 사용하여 제작되었습니다. 금속 유도 갭 상태(MIGS)는 단말 결합 콘택트에 의해 유도되어 다양한 온도에서 암전류를 억제합니다. 계면 쌍극자의 존재로 인한 계면 갭 상태는 국소장 주변의 빛 여기(light excitation)를 향상시켜 약한 빛에 대한 광응답도(photoresponsivity)와 광검출도(photodetectivity)를 업그레이드합니다. 본 보고서의 적외선 광원 강도는 14 nW/cm²로 레이저 광원보다 약 3-4배 크기 정도 낮습니다. 검출기의 응답도는 실온에서 빛(945 nm) 조사 시 28.57 A/W에 도달했으며, 검출도는 4.81 × 10¹¹ cm·Hz¹/²·W⁻¹입니다. 변온 실험에서 이상적인 온도 의존적 성능이 나타나며, 소자의 광응답과 온도 간 비선형 관계의 상세한 메커니즘을 논의했습니다. 또한 검출기의 광전 특성은 나노와이어의 빛 가둠 효과(light-trapping effect)와 광게이팅 효과(photogating effect)가 자외선에서 근적외선에 걸친 약한 빛에 대한 광응답을 향상시킬 수 있음을 명확히 했습니다. 이러한 결과는 냉각 시스템 없이 적외선 약한 빛에 대한 InAsSb NW 어레이 검출기의 실행 가능성을 강조합니다.
좁은 밴드갭 III-V족 반도체의 중요한 분파인 InAsSb는 InAs로부터 작은 전자 유효 질량과 높은 전자 이동도 같은 이점을 물려받았습니다[1, 2]. InAs에 Sb 원소가 도입되면, 밴드갭 보잉 효과(bandgap bowing effect)로 인해 3원소 InAsSb의 컷오프 파장 응답이 장파장 적외선 영역까지 확장될 수 있습니다[3]. 결과적으로 InAsSb는 적외선 검출 분야에서 이상적인 후보로 간주됩니다[4-6]. 광전자 분야에서 1차원(1D) 나노구조[7]는 거대한 종횡비로 인해 수많은 트랩 상태를 가진 큰 표면적, 광자 흡수를 위한 긴 경로 길이, 기계적으로 유연한 구조 등 엄청난 독특한 특성을 가집니다[8]. 또한 개발 과정에서 1D 나노구조는 기판과의 격자 부정합을 쉽게 해소하여 높은 결정 품질을 달성할 수 있습니다[9]. 이에 광전자 응용인 포토디텍터[10], 태양전지[11] 등이 1D 나노구조 기반으로 엄청난 연구 관심을 끌고 있습니다. 그중 맞춤형 소자 구조[12]가 최적화된 빛 흡수와 광대역 빛 수확을 위해 제안되어, 1D 나노구조가 다양한 응용 시나리오에 적합하고 실리콘 기반 집적 회로와 호환 가능한 구성요소가 되게 했습니다. 최근 개별 InAs NW 기반 포토디텍터가 적외선 검출에서 잠재력을 입증했습니다[13]. Sb 첨가로 3원소 InAsSb는 실온 검출을 위한 광범위한 스펙트럼 범위에 접근 가능해졌습니다[14]. Al₂O₃ 패시베이션으로 InAsSb NW 기반 검출기는 중파장 적외선 스펙트럼에 대한 비냉각 검출을 달성했습니다[15]. 그러나 이러한 연구들에 널리 적용된 기존 광원은 고강도 레이저이며, 대부분의 소자는 실온에서 동작할 수 없습니다[16]. 게다가 NW 기반 기존 소자 구조는 호환 집적 회로에서의 대량 응용에 친화적이지 않습니다. InAsSb NW 기반 기존 검출기에는 개별 NW 소자[17], InAs NW에 내장된 양자 우물[3], 수직 개별 NW 소자[14]의 세 가지 주요 유형이 있습니다. 이들 모두 전자빔 리소그래피(EBL)와 반응성 이온 에칭(RIE) 같은 비용이 많이 드는 나노제조 공정을 필요로 합니다. 이에 소자 구조의 혁신이 NW 응용을 위해 시급합니다.
계면은 제한된 크기에도 불구하고 소자의 광학 및 전기적 성능에 항상 중요한 역할을 하므로, NW 기반 소자에서 콘택트 엔지니어링은 또 다른 필수 요소입니다[18]. 예를 들어, 그래핀 양자점과 폴리스티렌 설포네이트 사이의 계면을 이용한 하이브리드 구조에서 약한 빛에 대한 탁월한 전방향 광검출 특성을 가진 태양전지가 달성되었습니다[19]. 본 연구에서는 전극과 반도체 사이의 계면 밴드 구조를 사용하여 소자의 광전기적 성능을 조절합니다. 금속-반도체 계면에서 전하 재분배가 일어나고, 금속과 금속 파동 함수의 꼬리가 반도체로 들어가는 전하 이동이 발생합니다. 이 재분배를 MIGS라고 하며, 이는 계면 상태에서 갭 상태와 계면 쌍극자를 유도할 수 있습니다[20]. 그러나 MIGS 모델의 시뮬레이션 결과는 여전히 실험과의 편차가 있으며, 이는 계면 결함, 제조 유도 결함, 페르미 레벨 피닝 때문으로 여겨집니다[21]. 특히 풍부한 표면 상태를 가진 InAsSb NW의 경우 페르미 레벨 피닝은 불가피하므로 유도된 갭 상태가 전하 이동을 필터링할 것입니다. 이렇게 하면 소자의 암전류를 허용 범위 내에서 억제할 수 있습니다. 게다가 계면 쌍극자는 약한 빛 검출에 필수적인 국소장에서 빛 여기를 향상시킬 수 있습니다. Chu 등의 논의에 따르면, 단말 결합 접합이 평면 결합 접합보다 금속과 반도체 간 상태 중첩을 달성할 가능성이 더 높습니다[18]. 그러나 개별 NW를 통한 단말 결합 소자는 제조에서 장애물에 직면합니다. 여기서는 NW 어레이를 사용하여 NW와 금속 사이의 단말 결합 콘택트를 달성하는 해결책을 제시합니다. 기존 포토디텍터와 비교하여 샌드위치 구조 NW 어레이 소자는 쉬운 제조와 높은 환경 적응성이라는 장점이 있습니다[22, 23]. 제조 공정 중 NW 주위에 스핀 코팅 및 베이킹된 필러(AZ5214)는 소자를 더 안정적이고 환경에 대한 항산화성을 갖게 합니다. 빛이 NW 어레이에 도입되면 여러 방향으로 다중 반사와 굴절을 하여 내부 빛 흡수를 증진시킵니다[24, 25]. NW 어레이 내 연장된 빛 경로는 빛 가둠 효과[26, 27]로 불리며, NW 기반 어레이 소자에서 널리 사용됩니다. 밴드 구조와 소자 구조 모두 소자에게 실온에서 약한 빛 검출 잠재력을 부여합니다.
본 연구에서는 MBE(분자빔 에피택시)로 성장한 InAsSb NW 기반 NW 어레이 소자를 제작했습니다. 금속-반도체 콘택트에 의해 유도된 갭 상태와 계면 쌍극자는 각각 암전류를 억제하고 빛 검출을 증진시킵니다[28]. NW 어레이 샌드위치 구조의 빛 가둠 효과는 약한 빛 검출에 기여합니다[29]. 실온에서 억제된 암전류는 검출 노이즈를 크게 최소화하고 실온 검출을 가능하게 합니다[30]. 경화된 소자 구조는 소자가 주변 환경에서 작동할 수 있게 합니다. 또한 소자의 광응답은 복잡한 계면 상태가 예상되므로 온도에 따라 변동합니다. 일정한 온도에서 광전류 값은 입사광 강도에 거의 선형적으로 증가하여 광파워 미터 잠재력을 입증했습니다.
InAsSb NW는 MBE 시스템(Riber 32 R&D)과 in situ Au 증착 시스템을 사용하여 GaAs {111}B 기판에서 성장시켰습니다. 에피레디 기판을 전처리하여 오염을 제거했습니다. 그런 다음 540°C에서 15분간 GaAs 버퍼 층을 증착하고, 증착 및 어닐링 공정으로 Au 나노입자를 형성했습니다. In 줄기를 380°C에서 온도를 일정하게 유지하며 20분간 성장시키고, 이후 Sb 소스를 성장 챔버에 60분간 도입했습니다. NW 성장 동안 In BEP(빔 등가 압력)는 2.7 × 10⁻⁷ mbar, As BEP는 2.2 × 10⁻⁶ mbar, Sb BEP는 7 × 10⁻⁷ mbar로 유지되어 V/III 플럭스 비 ~11, Sb/As 비 ~0.3을 이끌었습니다.
소자 제조를 위해 AZ5214(포토레지스트)를 NW 방향을 유지하기 위한 받침제로 사용했습니다. 그런 다음 기판과 함께 NW 어레이를 3000 rpm으로 30초 스핀 코팅하고 120°C에서 2분간 베이킹했습니다. 겔 AZ5214는 투명하여 측정 중 빛 손실을 최소화합니다. NW 팁을 노출하기 위해 정밀 전단 게이지(Logitech)로 어레이 표면을 연마했습니다. NW 성장 중 VS(증기-고체) 메커니즘으로 기판 표면에 형성된 InAsSb 층은 드레인 전극 역할을 할 수 있습니다. InAsSb 에피층의 홀 측정(추가 파일 1: 그림 S1 참조)에 따르면, 실온 캐리어 농도는 약 2 × 10¹⁷ cm⁻³, 이동도는 실온에서 약 1.6 × 10⁴ cm²/(V·s)입니다. 그 후 공칭 두께 8 nm Au 박막을 선택된 영역에 증착했습니다: 하나는 어레이 상단에, 다른 하나는 에피층에. 증착된 Au의 작은 두께는 전극 광투과성과 측정 중 허용 가능한 빛 손실을 보장합니다.
얻은 InAsSb NW의 형태학적, 화학적, 구조적 특성은 SEM(FE-SEM, JEOL 7800F)과 TEM[TEM, Philips Tecnai F20, 에너지 분산 분광법(EDS) 장착으로 조성 분석]으로 조사했습니다. TEM 분석용 개별 NW는 NW 시료를 에탄올에 초음파 처리하고 탄소 막 지지 Cu 그리드에 분산시켜 준비했습니다.
광전도도 측정은 LED 광원을 장착한 헬륨 폐쇄 사이클 크라이오스탯에서 수행했습니다. 이 시스템의 온도는 2 K와 실온 사이에서 연속적으로 조절 가능하며, LED 광강도는 입력 전류로 쉽게 조절 가능합니다. 260 nm, 620 nm, 945 nm 파장의 다양한 LED를 사용했습니다. LED 광강도는 온도와 입력 전류 모두와 관련되며, 전류에 선형적으로 증가하고 온도에 따라 감소합니다. 본 측정에서 실온 광강도 값은 260 nm 4000 nW/cm², 620 nm 558 nW/cm², 945 nm 14 nW/cm²입니다. 관련 광강도 정보는 참고문헌[30]에서 찾을 수 있습니다. 소스와 드레인 사이에 일정한 전압 V_DS = 100 mV를 인가했습니다. LED의 ON/OFF 튜닝을 통해 광전도도 응답을 얻을 수 있습니다.
그림 1은 InAsSb NW의 전자현미경 조사 결과를 보여줍니다. 그림 1a는 경사 뷰 SEM 이미지로, NW 직경이 100-200 nm 범위, 길이가 6-8 μm 범위임을 보여줍니다. 그림 1b는 전형적인 개별 NW의 밝은 필드(BF) TEM 이미지로, 전형적인 테이퍼링 구조를 나타냅니다. 축 방향으로 NW 조성은 완만한 점진적 변화를 보이며, 정량적 EDS 분석 기반 평균 Sb 농도는 최대 30%입니다(세부 사항 추가 파일 1: 그림 S2 참조). 그림 1c는 NW 중간 부분의 HRTEM 이미지로, 쌍정면(twin planes) 존재를 확인합니다. 그림 1d에 표시된 선택 영역 전자 회절(SAED) 패턴도 쌍정 구조를 검증하며, 두 세트의 ZB(아연 혼합)-구조 회절을 구별할 수 있습니다. Sb 원소는 계면활성제로 사용되어 InAs NW의 WZ(우르츠라이트) 상을 억제[31]하여 WZ에서 ZB로의 구조 상 변화를 선호합니다. 우리 경우 V/III 비 ~11로 V-rich 환경을 유도하여 ZB 구조 핵형성을 선호[32]하지만, 약간의 쌍정면을 남깁니다. InAsSb NW의 쌍정 구조에 대한 조사에서 경계에서의 변위가 국소적 Sb 분포 불균일을 유발[12]하여 전자 산란이나 캐리어 트래핑을 선호한다고 주장했습니다[33].
소자 구조는 그림 2a에 나와 있으며, Au 박막이 어레이 상단과 하단을 덮습니다. 소자의 SEM 이미지는 추가 파일 1: 그림 S3에 나와 있으며, 남은 길이는 약 3 μm이고 거의 모든 NW가 통합되어 있습니다. 포토레지스트는 NW 방향을 유지하고 NW를 경화된 소자로 통합하는 데 사용되며, 이렇게 하면 소자가 더 항산화되고 응용에 적합해집니다. 테이퍼링 구조는 비정질 실리콘 NW 어레이 소자에서 흡수 향상과 입사각 둔감성을 입증했습니다[34]. 그림 2b는 MIGS 모델로 결정된 Au-InAsSb 계면 개요도입니다. 그림 2c, d는 온도에 거의 무관한 일정한 컨덕턴스를 확인하며, 값은 약 1 × 10⁻⁷ Ω⁻¹입니다. 빛 없이 2 K와 300 K에서 I-V 곡선은 그림 2d에 나와 있습니다. 개별 나노와이어는 추가 파일 1: 그림 S4에 나와 있듯 훨씬 큰 컨덕턴스 값을 가집니다. 어레이 소자는 수천 개의 개별 NW가 병렬 회로로 결합된 것과 동등하므로 이론적 컨덕턴스는 훨씬 더 큰 값이어야 합니다. 또한 컨덕턴스 관련 두 가지 기본 지식이 있습니다: (1) 개별 NW 컨덕턴스는 온도에 강한 의존성을 보임; (2) 우리 연구의 InAs NW 어레이 소자도 일정한 컨덕턴스를 가짐. 따라서 이 소자에서 금속-반도체 콘택트가 전체 출력 특성을 지배하는 상당한 저항을 가짐을 결론지을 수 있습니다.
Au가 단말 결합 콘택트를 통해 InAsSb NW에 결합하면, 금속 전자 파동 함수의 꼬리를 통해 계면에서 전하 이동이 일어나며 이를 MIGS의 연속체라 부릅니다[18]. 콘택트 형성 시 발생하는 계면에서의 전하 재분배는 계면 쌍극자 발생을 유발합니다[35]. MIGS 모델에 따르면, 계면 장벽 높이는 Φ_Au(금속 일함수), Φ_NW(InAsSb NW 전자 친화도), Δ_i(계면 형성 시 발생하는 계면 쌍극자로 인한 전압 강하)에 의해 결정됩니다. δ_i는 금속에 의해 유도된 갭 상태의 거리입니다. 전자 상태는 그림 2b에 표시됩니다. 계면 쌍극자는 전자에 추가 장벽을 생성할 수 있지만[36], 그 효과는 δ_i 영역에 국한됩니다. 무엇보다, 소자의 고유 특성은 큰 기생 콘택트 저항에 의해 조절됩니다[37]. 우리 소자에서 큰 콘택트 저항은 암전류를 효과적으로 감소시키며, 그 값은 온도에 독립적입니다. 이렇게 하면 캐리어 농도를 빛 검출에 유리한 범위로 제한할 수 있습니다. 그러나 계면 쌍극자로 인한 콘택트 저항 메커니즘이 다양한 온도에서 일정하게 유지되는 것은 더 자세한 연구가 필요합니다.
그림 3a에서 2-120 K에서 빛 조명 유무에 따른 소자 전류를 표시하며, 나머지는 추가 파일 1: 그림 S5에 표시됩니다. LED 상태는 시간에 따라 튜닝되며, "ON"과 "OFF" 상태가 각각 60초 유지됩니다. "ON" 상태에서 표시된 LED 특정 전류 값은 각각 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 3000 μA입니다. 측정은 2-300 K 다양한 온도에서 수행되었습니다. 그림 3a 인셋은 세 가지 가장 약한 빛(약 4-10 nW/cm²) 조명 조건을 보여주며, 그림 3a와 유사한 경향을 나타냅니다. 그러나 가장 약한 빛에서 명백히 다른 광학적 거동이 기술될 수 있으며, 특히 느린 응답 속도와 약간 지속적인 광전도도가 있습니다. 그림 3b는 LED 전류 2000 μA에서 20 K 소자 응답 시간을 보여줍니다. 주목할 점은 그림 3c가 실온 주변 환경에서 얻어진 것입니다. 더 중요하게, 여기 사용된 광원은 모두 LED이며, 광강도 값은 각각 260 nm 4000 nW/cm², 620 nm 558 nW/cm², 945 nm 14 nW/cm²입니다. 광응답도 외에도, 서로 다른 빛 파장에 따른 응답 속도에서 InAsSb NW가 적외선 빛에 더 나은 응답을 보임을 결론지을 수 있습니다.
그림 3a에서 우리 소자는 다양한 온도에서 LED 상태 변화에 빠르고 명백한 양성 응답을 보이며, 광전도도는 LED 전류와 함께 증가합니다. 빛 조명 없이 소자 컨덕턴스는 약 1.04 × 10⁻⁷ Ω⁻¹로, 그림 2c 출력 테스트와 일치합니다. 고정된 온도에서 ΔG(컨덕턴스에서 암컨덕턴스를 뺀 값) 값은 LED 전류(광강도 나타냄)와 거의 선형적으로 증가합니다. 광원이 차단되면 소자 전류가 즉시 원래 상태로 회복됩니다. 이 플롯에서 최대 ΔG 값은 10 K에서 3.2 × 10⁻⁸ Ω⁻¹입니다. 이 플롯에서 두 종류의 광응답을 구별할 수 있습니다:
대부분 온도에서 전류는 LED가 켜지면 급격히 증가하고, LED가 켜진 동안 안정적으로 유지됨;
10 K와 20 K에서 전류도 빛 조명으로 급격히 증가함. 그러나 LED 켜진 상태에서 전류가 약간 감소하며 플롯에 꼬리(tail)를 남김. 이는 다른 온도에서 발견되지 않음.
두 가지 다른 광응답의 내재적 메커니즘을 명확히 하기 위해, LED 전류 2000 μA에서 20 K 응답 속도 정보를 증거로 추출했으며 구체적 값은 그림 3b에 나와 있습니다. 응답 시간[38, 39](τ_ris, 90% 전류 피크에서 10% 전류 피크까지 시간 간격)은 1.8 s로 결정되었으며, 회복 시간(τ_rec, 반대 정의)은 2.4 s로, 전체 온도 범위에서 거의 일정합니다. 10 K와 20 K에서 "꼬리" 구조의 지연 시간은 약 15.7 s로, LED 전류가 500 μA 미만일 때 놀랍게도 없습니다. 그림 3a 인셋의 약한 빛 조건과 결합하면, 10 K와 20 K에서 세 가지 광응답 종류를 입증할 수 있습니다. 가장 약한 빛(10-50 μA)에서 전류는 시간과 함께 느리게 증가합니다. LED 전류가 100-500 μA로 증가하면 응답이 빨라집니다. 전류가 1000 μA 이상이면 꼬리가 형성됩니다. 즉, 충분한 빛 강도만 일시적 "꼬리" 구조를 유발할 수 있습니다. 유사한 "꼬리" 구조는 InAs NW에서 널리 보고되었습니다[40, 41]. 이들 보고서의 광원은 모두 높은 빛 강도의 레이저로, "꼬리" 구조가 높은 강도 빛 영역에서만 나타난다는 우리 결과와 일치합니다. 이들은 "꼬리"가 표면 상태에서 캐리어 트래핑과 디트래핑에 해당하는 지연 효과에서 온다고 주장했습니다[42]. 우리 경우 InAsSb NW는 Sb와 결합된 심각한 계면활성제 효과로 인해 표면 상태가 더 불가피합니다[43]. 따라서 "꼬리" 구조가 특정 온도에서 충분히 강한 빛 지원 하에 쌍정 구조의 결함 상태만 전자를 트랩하는 데서 기원한다고 예상합니다.
주어진 포토디텍터에 대해 광응답도는 다음과 같이 표현할 수 있습니다[44]
$$\mathrm{R}=\frac{{I}_{\mathrm{p}}}{PA}$$ (1)
여기서 I_p는 소자 광전류, P는 소자 입사 광파워, A는 소자 유효 면적입니다. 우리 소자에서 유효 면적은 전극 증착 시 사용된 마스크로 결정된 1 mm²이며, 광도계 수광 면적은 0.9 cm²입니다. 이 상황에서 소자 광응답도는 각각 4.25 mA/W(260 nm), 1.27 A/W(620 nm), 28.57 A/W(945 nm)로 결정되어, InAsSb NW 샌드위치 구조 소자의 적외선 검출 잠재력을 추가로 확인했습니다.
소자 광검출도는 다음과 같이 표현할 수 있습니다[14]
$${D}^{*}=R{A}^\frac{1}{2}/{(2e{I}_{\mathrm{dark}})}^\frac{1}{2}$$ (2)
여기서 R은 소자 광응답도, e는 전자 전하. I_dark는 소자 암전류로, 값은 10.8 nA입니다. InAsSb NW 샌드위치 구조에서 억제된 암전류로, 포토디텍터의 D* 값은 각각 7.28 × 10⁷(260 nm), 2 × 10¹⁰(620 nm), 4.81 × 10¹¹ cm·Hz¹/²·W⁻¹(945 nm)에 도달합니다. 주목할 점은 이 어레이 구조에서 NW 듀티 비율이 50% 미만으로, 실제 R과 D*가 계산 결과보다 더 큽니다. 높은 R과 D*는 어레이 소자의 빛 가둠 효과뿐만 아니라 계면 구조[2]에서도 기원합니다. 참고문헌[45]에 요약된 나노와이어 기반 포토디텍터와 비교할 때, 우리 소자의 300 K 동작 온도는 실제 시나리오에서 우수한 응용 잠재력을 가집니다[6]. 또한 실온 범위에서 우리 쉽게 제조된 InAsSb NW 어레이 소자 광응답도(945 nm에서 28.57 A/W)는 대부분의 복잡한 NW 기반 소자(WSe₂/Bi₂Te₃: 980 nm에서 20 A/W[46], PtSe₂/페로브스카이트: 800 nm에서 0.12 A/W[47])를 초과할 수 있습니다. 계면 쌍극자는 실험적으로 도달할 수 없지만, 그림 2의 출력 특성이 우리 소자에 계면 쌍극자 존재의 확실한 증거를 제공할 수 있습니다. 이전 논의에서 제안된 바와 같이, 소자의 계면 층은 빛 조명 시 광학 쌍극자 격자로 기능하여 더 큰 필드 향상 인자에 기여할 수 있습니다. 이 효과는 이전 연구에서 계면 쌍극자 향상 효과(IDEE)로 불립니다[48]. IDEE는 공진 파장 범위 내에서만 존재하는 표면 플라즈몬 향상 효과보다 더 큰 파장 범위에서 작동합니다. 계면 상태 주변 향상 효과와 어레이 소자의 빛 가둠 효과가 우리 소자에서 약한 빛 검출을 위해 함께 작동합니다.
그림 4는 InAsSb NW 소자 광응답과 온도(그림 4a) 및 빛 강도(그림 4b) 관계입니다. I_p 값은 빛 켜짐 시 광전류가 얻을 수 있는 극값입니다. 광응답은 정확한 빛 강도로 정규화하여 경향에 대한 영향을 차단했습니다. 먼저, 서로 다른 빛 강도 조명에서 유사한 경향을 결론지을 수 있습니다. 모든 플롯에서 절대 광전도도는 2-20 K 증가하다가 80 K까지 감소하여 첫 번째 피크가 20 K 근처, 두 번째 피크가 100-120 K 근처에 남습니다. 이 피크 온도 범위는 일시적 광전류 "꼬리"가 존재하는 특정 온도 범위와 일치합니다. 다른 피크는 100-120 K 근처이며, 그 구체적 위치는 빛 강도 증가에 따라 더 높은 온도 영역으로 이동합니다.
광전류는 다음과 같이 표현할 수 있습니다[28]
$${I}_{p}=qg{V}_{\mathrm{NW}}[\tau {\mu }_{d}/l]$$ (3)
여기서 q는 기본 전하, g는 광캐리어 생성률, V_NW는 NW 부피, τ는 소수 캐리어 수명, μ_d는 드리프트 이동도, l은 NW 길이입니다. 이 방정식은 소수 캐리어 수명과 드리프트 이동도가 광전류의 두 핵심 파라미터임을 명확히 합니다[43]. InAsSb 어레이 소자의 광전기적 과정은 그림 4c, d에 나와 있습니다. 빛 유입 전, Au와 InAsSb NW 간 전자 이동이 암전류를 형성합니다. 계면 쌍극자로 인한 갭 상태는 충분한 운동량을 가진 캐리어 이동에 충분히 짧습니다. 우리 소자에서 고유 쌍정 구조와 제조 유도 결함에 의한 계면 상태는 모두 트래핑 상태 역할을 할 수 있습니다. 빛이 들어오면 충분한 에너지와 운동량을 가진 여분 전자가 계면 상태에 트랩됩니다(과정 I 및 III). 감소된 전자 농도는 채널 이동도를 증가시키고 광생성 전자 수명을 연장합니다. 반면 계면 상태에 트랩된 전자는 채널 전자를 산란시켜 이동도를 감소시킵니다. 방출된 전자는 과정 IV를 통해 전도대로 돌아가 전류에 참여합니다. 낮은 에너지를 가진 전자는 과정 II와 같이 전도대로 여기되어 전류에 참여합니다. 잠시 후 전자는 과정 V와 같이 원자가대에 남겨진 정공과 재결합합니다. 소자에서 두 종류의 산란 과정이 있음을 결론지을 수 있습니다: 트래핑된 전자 산란 중심과 채널 내 전자-전자 산란[49]. 계면 상태에 더 많은 트래핑 전자는 채널 캐리어 이동도와 농도를 감소시킵니다. 이후 전자-전자 산란이 약해지고 이동도 증가로 작용합니다. 결론적으로 이 두 산란 과정은 전류에 협력하여 10-20 K 근처 극값을 얻습니다. 이 피크의 주목할 특징은 "꼬리" 구조, 안정적 피크 위치, 초약한 빛 조명으로 지속적 광전도도입니다. 초약한 빛 조명에서 유도된 광자 양이 한 번에 포화 광전류에 도달하기 충분하지 않습니다. 따라서 소자는 포화까지 지속적 광전류를 보입니다. 빛 강도가 증가하면 광여기 캐리어가 전류를 증진시키고 짧은 응답 시간 내 극값에 도달합니다. 그러나 더 높은 빛 강도에서는 더 복잡합니다. 포화 상태를 초과하는 과잉 캐리어는 계면 상태에 트랩됩니다. 트랩된 전자가 전도대로 방출되면 농도가 다시 증가합니다. 증가하는 전자-전자 산란이 전류를 감소시키며, 이를 지연 효과라 하여 "꼬리" 구조를 생성합니다.
100-120 K 근처 두 번째 피크에 대해, 유사한 피크 이동이 Bi₂Te₃ 박막에서 보고되었습니다[50]. 우리 분석은 이 온도 범위에 재결합 중심 존재를 나타냅니다. 내재적 메커니즘은 Bi₂Te₃와 유사하며, 둘 다 광전류(I_p)와 암전류(I_d) 균형과 관련됩니다. 우리 경우 I_d는 전체 측정 온도 범위에서 거의 일정합니다. I_p는 소수 캐리어 수명과 드리프트 이동도에 의해 결정됩니다. 이 두 InAsSb NW 파라미터가 온도와 반대 의존 관계를 가짐에 주목하십시오. 소수 캐리어 수명의 경우, 열 여기 암캐리어가 온도와 함께 증가하며 광생성 캐리어 재결합률도 증가합니다[51]. 따라서 소수 캐리어 수명은 온도에 반비례합니다. 드리프트 이동도는 고온이 NW에서 열 여기 효과를 일으키므로 온도에 비례합니다. 특정 온도에서 I_p와 I_d가 균형을 이룰 때 피크가 발생하며, 이는 약 100-120 K입니다. 더 높은 빛 강도에서 더 많은 광생성 캐리어가 더 높은 온도에서 더 많은 열 여기 캐리어를 필요로 하여 균형을 요구합니다. 따라서 빛 강도 증가 시 두 번째 피크가 더 높은 온도로 이동합니다. 그림 4b는 InAsSb NW 소자 광전도도 빛 강도 의존성을 보여주며, 여기서 ΔG 값은 정규화되지 않았습니다. 보듯, LED 빛 강도는 입력 전류와 엄격하게 선형적으로 증가합니다(추가 파일 1: 그림 S6 참조). 따라서 이 결과는 광응답과 빛 강도 관계를 나타내며, InAsSb NW 어레이 소자의 광파워 미터 잠재력을 입증합니다.
요약하자면, 단말 결합 콘택트에 의해 유도된 MIGS 덕분에 InAsSb NW 어레이 기반 샌드위치 구조 포토디텍터가 훌륭한 광학 성능을 달성했습니다. 계면 쌍극자와 갭 상태가 암전류를 억제하고 소자 검출 능력을 향상시킵니다. 소자의 고유 결함과 제조 유도 결함은 계면 상태 역할을 하여 광학적 특성을 조절합니다. 초약한 빛(4-20 nW/cm²) 조명에서도 소자는 실온에서 명백한 광응답을 보입니다. 서로 다른 파장 LED 응답에서 InAsSb NW 어레이 소자가 적외선 빛(945 nm)에 가장 강한 응답을 보임이 나타났습니다. 광응답도와 광검출도는 각각 40 A/W와 7 × 10¹¹ cm Hz¹/² W⁻¹입니다. 이러한 결과는 본 연구의 샌드위치 구조가 NW 소자의 반복성과 신뢰성을 선호함을 확인하며, NW 기반 소자 제조 길을 닦습니다. 가장 중요하게, 소자가 주변 환경에서 실온 동작 가능하여 적외선 검출에 큰 돌파구입니다.
모든 데이터는 제한 없이 완전히 이용 가능합니다. 현재 연구에서 사용 및/또는 분석된 데이터셋은 합리적 요청 시 교신 저자로부터 이용 가능합니다.
나노물질
초록우리는 간단한 수열법으로 탄소 양자점(CQD)이 장식된 BiFeO3 나노입자를 제조했습니다. TEM과 XPS는 BiFeO3 표면에 균일한 CQD 부착을 확인했습니다. Acid orange 7(AO7)과 6가 크롬(Cr(VI))을 프로브 오염물질로 사용하여 가시광 및 근적외선(NIR) 조사 하에서 광-펜톤 분해와 광촉매 환원을 평가했습니다. CQD/BiFeO3 복합체는 AO7 제거에서 순수 BiFeO3보다 2배 이상, Cr(VI) 환원에서 최대 80% 향상된 성능을 보이며 우수한 재사용성을 유지했습니다. 광전류와 EIS 연구는 향
요약 TiO2는 광음극 보호에 적합한 매력적인 반도체이나, 가시광선 흡수 약함과 낮은 양자 수율이 사용을 제한합니다. 본 연구에서는 새로운 이종구조 SnIn4S8 나노시트/TiO2 나노튜브 광양극을 제조하고 그 광음극 보호 성능을 분석했습니다. SnIn4S8 나노시트는 용매열 처리를 통해 TiO2 나노튜브 표면에 균일하게 증착되었습니다. SnIn4S8/TiO2 복합체는 순수 TiO2 나노튜브보다 우수한 광음극 보호 성능을 보였으며, 이는 좋은 가시광선 응답과 광생성 캐리어 분리 효율 덕분입니다. 또한, 복합체는 가시광선 조사 하에서
