単一のCdSSeナノベルトに基づく波長制御光検出器

背景

最近、半導体ナノ材料は、発光ダイオード[1、2]、光起電力デバイス[3]、太陽電池[4、5]、電気触媒H ₂ などのオプトエレクトロニクスデバイスとして広く研究されています。 世代[6、7]、および光検出器[8、9、10]。 CdSとCdSeは、室温でそれぞれ2.42と1.74eVのバンドギャップを持つII-VI半導体材料です。それらは、可視光領域の吸収波長に対応するバンドギャップがあるため、光検出器の製造に最適な材料であると考えられています[11、12]。

ナノワイヤー[13]、ナノベルト[14]、ナノチューブ[15]などの一次元ナノ構造は、表面対体積比、物理的特性、化学的特性が高いため、センサーや光検出器に使用されてきました[16]。その中で、ZnO [17]、CdS [18]、CdSe [19]、MoS ₂ などのいくつかのナノ構造 [20]、Zn _x Cd _{1 − x} Se [21]、CdS _{1 − x} Se _x [22]、およびZn _x Cd _{1 − x} S [23]は、光検出器の製造に使用されています。パンら。 CdS _0.49 に基づく光検出器が報告されました Se _0.51 /CdS_0.91 Se _0.09 ヘテロ構造は優れた性能を持っています[24]。ただし、優れた性能を備えた高応答で選択性の高い検出器を開発する方法は依然として課題です。

この作業では、CdSSeナノベルト（NB）が熱蒸発によって合成されました。単一のCdSSeデバイスの製造と特性評価を行います。その後、単一のCdSSeNBデバイスの光電特性を体系的に調査しました。これに基づいて、CdSSe NBのカソードルミネッセンス（CL）を室温と低温で実行したところ、CLはCdSSeNBの欠陥に敏感であることがわかりました。したがって、CLでデバイスを設計するために、完全な微細構造を備えたナノベルトを選択して、目的の特性を実現できるようにします。

メソッド

CdSSeナノベルトの準備

単結晶CdSSeNBは熱蒸発によって調製されました。 CdSSe NBを合成するために、1：1の重量比で事前に混合された純粋なCdS粉末（99.99 wt％）とCdSe粉末（9.99 wt％）の混合物をセラミックボートに入れました。セラミックボートは石英管の真ん中に置かれました。約10nmのAu膜でコーティングされたシリコン基板をチューブに配置しました。シリコン基板とセラミックボートの距離は約5〜7cmでした。炉を820°Cに加熱し、2時間維持しました。最後に、炉は自然に室温まで冷却されました。異なる組成のナノベルトは、Si基板の異なる位置に堆積されました。実験全体で、Arガスは20 sccmで飛行し、チューブ内の圧力は112Torrに保たれました。

材料の特性評価

ナノベルトの形態、構造、および組成は、走査型電子顕微鏡（SEM）、X線回折（XRD）、透過型電子顕微鏡（TEM）、高分解能電子顕微鏡（HRTEM）、およびX線光電子分光法によって特徴づけられました。 （XPS）。 PLスペクトルは、532nmのレーザー励起下で測定されました。 CdSSe NBのCLスペクトルは、走査型電子顕微鏡（Quanta FEG 250）に搭載されたカソードルミネッセンス（CL）（Gatan monocle CL4）システムによって室温と低温で測定されました。

ナノベルトデバイスの製造

Ti / Au電極は、500nmの厚さのSiO ₂ を使用してSi基板上に分散された単一のナノベルトの両端に堆積されました。 層、そして、デバイスが達成されました。デバイスの詳細な製造プロセスは、文献[25]で参照されています。ナノベルトの覆われていない部分は、入射光にさらされました。図1は、デバイステストの概略図です。

検出器構成の概略図

光電特性評価

ナノベルトの光電性能の測定は、Keithley4200半導体システムと単色分光計によって行われました。デバイスに垂直に照射された入射光を変化させてデバイスの光電流を測定し、 I – V 曲線は2プローブ測定によって実行されました。

結果と考察

図2aは、準備されたままのCdSSeNBのSEM画像を示しています。 CdSSe NBは、良好な形態と、数百マイクロメートルまでの均一な幅と長さを持っていることがわかります。図2bは、CdSSeナノベルトの高倍率SEM画像です。ナノベルトは薄くて均一で、幅は2.632μmであることが観察されています。図2cとその挿入図は、幅2.94 µm、厚さ50 nm未満の単一ナノベルトのTEM明視野画像と制限視野回折（SAD）パターンを示しています。 SADパターンは単結晶の品質を確認し、格子定数 a を使用して六角形の構造にインデックスを付けることができます。 =4.177Åおよび c =6.776Å。対応するHRTEM画像が図2dに表示されており、隣接する平面間の格子間隔は0.34 nmであり、（110）結晶平面に対応しています。したがって、その成長方向は[110]に沿っています。

CdSSeNBの形態画像。 a 低倍率でのSEM。 b 高倍率でのSEM。 c 悲しい、挿入図：そのTEM。 d HRTEM

EDXとCdSSeナノベルトのマッピングを図3に示します。低倍数のサンプルのSEM画像を図3aに示します。領域全体がナノベルトで覆われていることが観察されます。図3bは、Cd、S、およびSeの合計分布です。 Cd、S、およびSe元素のマッピングは、それぞれ図3c〜eに示されています。 Cd、S、Seがナノベルト全体に均一に分布していることがわかりました。同じナノベルトから収集されたEDXスペクトルを図3fに示します。これは、ナノベルトがCd、S、およびSe元素で構成されていることを示しています。

CdSSeNBのSEM画像と元素マッピング。 a SEM。 b–e それぞれCd、S、およびSeマッピング。 f EDX

CdSSe NBのXRDおよびXPSパターンを図4に示します。すべての回折ピークは、CdS _0.76 の六角形構造にインデックスを付けることができます。 Se _0.24 格子定数 a =4.177Åおよび c =6.776Å。これは標準カード（JCPDS番号49-1459）と一致しています。回折ピークの位置（2 θ =24.72°、26.35°、28.13°、36.42°、43.47°、47.5°、50.4°、51.4°、および52.4°）結晶面と一致（100）、（002）、（101）、（102）、それぞれ（110）、（103）、（200）、（112）、および（201）。他の不純物は検出されません。鋭くて狭い回折ピークは、得られたCdSSeナノベルトが良好な結晶化度を有することを明らかにした。図4bは、Cd3d _5/2 の結合エネルギーを示しています。 およびCd3d _3/2 それぞれ404.8および411.7eVのCdSSeNBの場合、これは前の作業で報告された値に近い[26]。 2つのピーク間の分離距離は6.9eVであり、Cd原子が完全なCdSフェーズにあることを示しています[27]。 S（2p）ピークのデコンボリューションは、図4cの160.7および165.1eVを中心とする2つのガウスピークを示しています。 Se（3d）の価電子スペクトルを図4dに示します。このスペクトルでは、53.5eVにある1つのピークのみが観察されました。したがって、XPSの結果は、ナノベルトがCd、S、およびSe元素で構成されていることを確認しています。

CdSSeNBのXRDパターンとXPSスペクトル。 a XRD。 b 重ね合わせたCd（3d）のXPSスペクトル。 c S（2p）の高分解能XPSスペクトル。 d Se（3d）の高分解能XPSスペクトル

図5は、CdSSeナノベルトのフォトルミネッセンススペクトルです。 500〜1000nmの範囲に2つのピークがあります。 1つは、CdSSeナノベルトの近帯域端（NBE）発光に起因する603nmを中心としています。 〜950 nmを中心とするもう一方は、In ₂ で観察される深層発光に関連している可能性があります。 Se ₃ およびGa ₂ Se ₃ [28、29]。

CdSSeNBのPL発光スペクトル

単一のCdSSeナノベルトのSEMおよびCL画像を図6a、bに示します。ナノベルトの表面は平坦で滑らかであり、明るさはその長さに沿って不均一であることが明らかになりました。図6c、dは、室温（295 K）と低温（93 K）での同じナノベルトの空間分解能CLスペクトルです。 CdSSe NBの特徴的なNBEのCL強度はポイントごとに異なり、信号ノイズ比は295 Kでは良くありませんが、CLは93 Kでポイントごとに異なる強度で強いことが強調されました。この結果は、 CL画像とよく一致しています。さらに、特徴的なピークは625 nmにあり、欠陥の放出は観察されず、93Kでの強度は295Kでの強度の約220倍強いため、CdSSeNBは低温で優れた発光特性を示します。

単一のCdSSeNBのSEMおよびCL画像。 a SEM。 b CL。 c 295KでのCL。 d 93KでのCL

図7aは、CdSSeNBの幅が均一ではないことを視覚化したナノデバイスのSEM画像です。図7aに示すように、測定されたNBの幅は30.85および36 µmで、長さは9.754 µmです。 私 – V CdSSe NBデバイスの特性は、43.14 mW / cm ² の電力密度で、暗い条件下と白色光の照明の下で図7bに示されています。 。見てわかるように、入射光が電子正孔対を生成し、光電流を改善するため、白色光照射下で光電流が大幅に増加します。 I の直線形状 – V 曲線は、CdSSeNBとTi / Au電極の間に良好なオーミック接触が形成されたことを示しています。光電流は1.6 ×です 10 ^-7 A、暗電流は約1.96 ×です。 10 ^-10 A.したがって、暗電流に対する光電流の比率は816です。図7cは I です。 – V 対数を取った後に得られた曲線は、光電流がその暗電流よりも3桁高いことを発見しました。

SEM画像と I – V 単一のCdSSeNB検出器の曲線。 a SEM。 b 私 – V 暗い条件と43.14mW / cm ² の電力密度の白色光照明下での曲線 。 c 私 – V 対数を取った後に得られたグラフ

デバイスの光電子特性をさらに調査するために、図8に示すように、単一のCdSSe NBデバイスの光電流を測定しました。1Vの印加バイアス電圧で、600〜800の範囲のデバイスのスペクトル応答nmは図8aに表示されています。波長が674nm未満の場合、応答は非常に強く、波長が674 nmを超えると、応答はますます弱くなることがわかります。図8bは、測定された I を示しています。 – V さまざまな電力密度の674nmの光の照明下での曲線。光電流は電力密度の増加とともに増加することがわかり、これは、光生成されたキャリア効率が吸収された光子の数に比例することを意味します[30]。図8bに対応する対数プロットは、図8cで強調表示されています。 CdSSe NBデバイスは、6.11 mW / cm ² の電力密度で最高の応答を示すことが明らかになりました。 。図8dは、光電流と光パワー密度の関係です。 I の電力密度に依存する光電流値をフィッティングすることによって _p = AP ^θ 、ここで I _p 光電流、 P は光パワー密度、 A は波長に依存する定数、指数θ 電力による光電流応答を決定します[31]。θを使用すると、実験結果の適切な適合が得られます。 =0.69。 0.5 <θ<1の非単一指数に関するレポートは、光活性材料内での電子正孔生成、再結合、およびトラップの複雑なプロセスを示唆しています[32]が、θの強度依存性 <0.5は、再結合中心とトラップの両方を含む欠陥メカニズムが原因で発生する可能性があります。したがって、θ =0.69は、CdSSeナノベルトに欠陥がないことを意味し、HRTEMおよびCLによる欠陥と一致しています。

CdSSeNB検出器の検出器の光応答特性。 a 1Vのバイアスで測定されたスペクトル光応答。 b 私 – V 励起波長674nm、バイアス電圧1 V、さまざまな電力密度での曲線。 c b の対数プロット 。 d 光電流と光パワー密度の関係

スペクトル応答性（ R _λ ）および外部量子効率（EQE）は、光デバイスの重要なパラメータであり、 R として定義できます。 _λ =私 _ph /（ P _λ S ）およびEQE = hcR _λ /（qλ ）、ここで I _ph 光電流と暗電流の差、 P _λ ナノベルトに照射される光パワー密度 S は有効な照らされた領域、 c は光速、 h プランク定数 q は電荷であり、λ は励起波長です[33、34]。対応する R を計算しました _λ CdSSeNBデバイスのEQE値は10.4A / Wおよび19.1％です。

図9aは、CdSSe NB検出器の時間応答を示しています。これは、強度4.87 mW / cm ² の674nmの光を定期的にオン/オフすることで測定されます。 1 Vのバイアス電圧で。このことから、CdSSeNBデバイスはスイッチング特性に対して優れた可逆安定性を示すことがわかります。図9bは、オシロスコープで測定された抵抗の電圧の立ち上がりと減衰のエッジです。これは、CdSSeNBの光コンダクタンスの立ち上がり時間と減衰時間を反映しています。 674 nmの光（4.87 mW / cm ² ）の照明がある場合とない場合 ）、抵抗変化の電圧が変化します。立ち上がり/減衰時間はそれぞれ1.62 / 4.70msであることがわかります。光検出器の重要なパラメータを、単一のナノベルトまたはナノシート（NS）に基づく他のパラメータと比較しました。 R _λ この研究におけるCdSSeNBデバイスの性能は、CdS [34]やZnSNB [35]、BiO ₂ などの他のナノ構造光検出器のそれよりも大きくなっています。 Se [36]、GaSe [37]、SnS [38]、およびBi ₂ S ₂ NS [39]。表1に要約されているように、減衰時間はZnS NB [35]およびGaSeNS [37]よりも短いですが、他の[34、36、38、39]よりも長いため、CdSSeの潜在的なアプリケーションが確認されます。光検出フィールドのNB。

4.87 mW / cm ² の674nm光照射時の単一CdSSeNB光検出器の電流-時間特性 1Vバイアスでの電力密度。 a 私 – t オン/オフ切り替えによる特性。 b パルス応答の電圧の立ち上がりと減衰のエッジ

結論

要約すると、CdSSe NBは、高温炉内で熱蒸発によって成長しました。得られたナノベルトは、様々な方法で特徴づけられた。 CdSSe NBは欠陥のない完全な微細構造を持ち、ナノベルトはCd、Se、およびS元素で構成されていることがわかります。 CLの結果から、低温（93 K）での単一CdSSeナノベルトの強度は、室温（295 K）での強度よりも強く、信号ノイズ比は93 Kで優れていることがわかりました。その後、CdSSe光検出器ベースの単一のNBで、その光電子特性を研究しました。検出器は、10.4 A / Wの応答性、1.62 / 4.70 msの立ち上がり/減衰時間、および674 nmで19.1％の外部量子効率（EQE）を備えた高性能を実現しました。これは、光電子特性において優れた安定性と再現性を備えています。この作業は、その組成を調整することにより、連続波長可視光検出器の開発への道を開きます。

略語

CL：

カソードルミネッセンス

EDX：

エネルギー分散型X線

EQE：

外部量子効率

HRTEM：

高分解能電子顕微鏡法

NB：

ナノベルト

NBE：

ニアバンドエッジ

NS：

ナノシート

PL：

フォトルミネッセンス

R _λ ：

責任

SAD：

制限視野回折

SEM：

走査型電子顕微鏡（SEM）

TEM：

透過型電子顕微鏡

XPS：

X線光電子分光法

XRD：

X線回折