高コンダクタンスのトポロジカル絶縁体ナノシートにおける非常に強化された光電流応答

はじめに

より高い光電流応答を備えた材料を探すことは継続的な作業です。固体材料の光の侵入深さが短いため、光電流応答は表面キャリアによって支配されます。表面キャリアが豊富な材料は、光検出器として適しています。長い間、ナノワイヤなどの表面積対体積比の高い材料が広く研究されてきました[1–6]。広い光検出帯域幅、グラフェン、[7、8]グラフェンベースのヘテロ構造、[1–4]、2次元遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）、トポロジカル材料など、線形EK分散を備えた低次元材料。広く注目されています[9–16]。

最近の報告によると、報告された光電流応答は広範囲で変化します[17–22]。これらの分布は、さまざまな材料の成長と実験条件に直観的に帰することができます。ほとんどのレポートは、材​​料コンポーネントの調整に注目しています。これらの分布の潜在的な固有のメカニズムは、あまり調査および議論されていません。固有のメカニズムを明確にすることで、潜在的な欠陥を改善し、パフォーマンスを大幅に最適化できる可能性があります。サンプルの品質は、光電流応答を支配する重要な要因であると考えられています[17–22]。結晶構造と成分分析に加えて、サンプル品質を決定するための他の簡単な物理的方法はありますか？多くの実験報告に基づいて、光応答性が異なるシート抵抗で広範囲に分布することが私たちの注意を引いた。光子によって誘発される電子正孔対の輸送プロセスは、メゾスコピック固体システムの散乱プロセスに従うため、報告された光電流応答を支配する上で、材料のコンダクタンスが重要な要素になります。しかし、この効果はまだ十分に研究されておらず、関連する実験的研究が不足しています。

光電流応答に対するコンダクタンスの影響を特定するために、導電率の異なるトポロジカル絶縁体ナノシートの光電流応答を体系的に調査しました。光電流は光パワー強度に対して線形であり、光電流は暗電流に比例します。より高い導電率のナノシートでは、より高い光電流が観察されます。応答性は、2次のナノシートコンダクタンスに比例します。応答性は真空中の光パワー強度とは無関係ですが、空気中の低パワー強度では応答性が大幅に低下します。空気中の応答性と真空中の応答性の比率は、光パワー強度の逆数に負の比例します。これらの振る舞いは、分子がブロックされたシステムにおける統計的な光電流として理解されます。厚さが増すにつれて時定数は減少します。この振る舞いは、均一な電流の流れのプロセスとして理解することができます。異なる圧力の充電および放電時定数が決定されます。より低い大気圧では、より長い時定数が観察されます。責任、 R 、ナノシートの導電率と線形です。 R V で =0.1 V コンダクタンスの高いナノシートで731に達します。これらは、（Sb、Bi） ₂ で報告されたすべての値よりも高くなっています （Te、Se） ₃ トポロジカル絶縁体と低次元材料であり、報告されているいくつかのヘテロ構造よりも低いだけです。

実験方法

Sb ₂ の単結晶 Se ₂ Teは、自家製の抵抗加熱フローティングゾーン炉（RHFZ）によって成長しました。 Sb ₂ の出発原料 Se ₂ Teは化学量論比に従って混合されました。最初に、高純度元素Sb（99.995％）、Se（99.995％）、およびTe（99.995％）の化学量論的混合物を、700〜800°Cの温度で20時間溶融し、その後、室温までゆっくりと冷却しました。真空石英ガラス管。得られた材料は、次のRHFZ実験の供給棒として使用されました。成長後、結晶を室温まで炉冷した。成長したままの結晶を基底面に沿って劈開し、銀色に輝く鏡のような表面を生成し、その後、さらなる実験のために準備した。ラマン、EDS、およびXPSスペクトルは、結晶がSb ₂ であることをサポートします。 Se ₂ テ。 X線回折は、Sb ₂ を示す鋭いピークを示しています。 Se ₂ Te結晶は高い結晶化度と均一性を持っています。私たちの以前の作品は、ARPESから抽出された物理的パラメータと量子SdH振動が一貫していることを示しています。これらはSb ₂ をサポートします Se ₂ Te結晶は、高品質と均一性を示します。

Sb ₂ Se ₂ Teナノシートは、ダイシングテープを使用してバルク結晶を剥離することによって得られ、絶縁性のSiO ₂ に分散されました。 （300nm）/ n -事前にパターン化されたTi / Au回路を備えたSiテンプレート。続いて、選択したSb ₂ に2つの白金（Pt）金属接点を堆積しました。 Se ₂ 集束イオンビーム（FIB）技術を使用したTeナノシート。図1a–cは、3つのSb ₂ のSEM写真を示しています。 Se ₂ Teナノシート。ナノシートの厚さは原子間力顕微鏡によって決定され、3つの合成されたナノシートの測定された厚さはそれぞれ58 nm、178 nm、および202nmでした。これらのナノシートのコンダクタンスは、Keithley4200-SCSによって測定されました。電流は、2プローブ法で印加電圧の関数として測定されました。 I ⁺ およびV ⁺ 同じ接点であり、I ⁻ およびV ⁻ 同じ接点です。光電流応答に対する固有のコンダクタンス効果を特定するために、コンダクタンスの異なる3枚のナノシートを光電流測定用に準備しました。

a 、 b 、および c 3つのSb ₂ のSEM写真を表示します Se ₂ Teナノシート。ナノシートの厚さはAFMによって測定されます。光電流を測定するために、2つのPt接点がナノシート上に堆積されました。 d 、 e 、および f 電圧と電流の関係を明らかにし、それは線形です。これは、Pt電極とSb ₂ の間のオーミック接触を示しています。 Se ₂ Teナノシート

結果と考察

図1d–fは、線形の電圧と電流の関係を示しています。これは、金属特性と、Pt電極とナノシート間のオーミック接触を示しています。測定されたコンダクタンス、 G 、は4×10 ⁻⁵ 、0.006、および7×10 ^-5 （S）それぞれ202、178、および58nmの厚さのナノシートの場合。導電率は1000（S / m）を超えており、ナノシートの非常に高い結晶品質をサポートしています。

図2a–cは、光パワー強度の関数として測定された電流を示しています。図2d–fは、測定された電流が光パワー強度に比例することを示しています[27、28]。この関係は、 I として表すことができます。 _on =β P ^α + 私 _オフ 、ここで I _on 光で測定された電流 I _オフ 光なしで測定された電流、β は、光電流応答 P に関連する定数です。 は光のパワー強度であり、α は、デバイスと光の間の光の照明条件に関連する定数です。 I が大きいことは注目に値します _on I が大きいナノシートで観察されます _オフ 。光電流、 I _ph 、は I として定義されます _on − 私 _オフ 。表1に、フィッティングの結果を示します。 αであることを示しています さまざまな厚さのすべてのナノシートで約1であり、これらのナノシートで一貫した光学特性をサポートします。 βは注目に値します / G は1.1×10 ⁵ ±0.2×10 ⁵ （A / WS）すべてのナノシート。これは、観測された光電流が実効コンダクタンスに比例していることを示しています。この発見は、システムの形状と材料のバンド構造の他に、ナノシートの実効コンダクタンスも光電流応答を支配する重要な要因であることを裏付けています。

a 、 b 、および c 異なる厚さの3つのサンプルで測定された電流を光パワー強度の関数として示します。 d 、 e 、および f 測定された電流が光パワー強度に比例することを明らかにします。 I が大きいほど、私たちの注意を引くことになります。 _on I が大きいナノシートで観察されます _オフ

私 _ph 注入された光子とナノシートの間の相互作用によって引き起こされる電子正孔対に由来します。誘導された電子と正孔は、印加された電気バイアスの下で反対方向に流れます。効果的な I _ph は印加電圧と電子正孔対の量に比例します。より多くの注入された光子は、より多くの電子正孔対につながります。光の侵入深さは、光の強度に応じて短く弱くなります。トポロジカル絶縁体の光の侵入深さは約20nmであり、ナノシートの厚さよりも小さいと報告されています[23、24]。 私 _ph 厚さが光の侵入深さよりも大きい場合は、ナノシートの厚さに依存しない必要があります。ナノシートの表面積は3倍に分布していますが、観察された I _ph 2次の差に広がります。効果的に誘導された電子正孔対とは別に、観測された異なる I _ph 固有のプロパティに由来する必要があります。 I に対する外部ジオメトリの影響を除外するため _ph そして、これらのナノシートの性能、応答性、 R を定量的に決定します 、は次の式を使用して計算されます。

ここで P および S それぞれ、光パワー強度と有効面積です。

図3は、 R を示しています。 光パワー強度の関数として、ほとんどの報告とは異なり、 R Biベースのトポロジカル絶縁体および低次元材料では、光パワー強度が増加するにつれて大幅に減少します[25、26]。私たちの結果は、 R および G 真空中の光パワー強度とは無関係です。これはさらに、光の侵入深さが実験条件でのナノシートの厚さよりも短くなければならないことを裏付けています。大きい R コンダクタンスの高いナノシートで観察されます。これは、観察されたより高い光応答が、ナノシートの形状や実験条件ではなく、固有の輸送特性に起因することを裏付けています。

3つのSb ₂ の応答性 Se ₂ Teナノシート。これは、光パワー強度の応答性への弱い依存性を示しています。導電率の高いナノシートでより高い応答性が観察されます

図1に示すように、線形の電圧と電流の関係は、ナノシートが金属の挙動を示すことを裏付けています。光によって誘発された電子正孔対は、印加された電圧バイアスのために2つの電極接点に移動します[27–29]。オームの法則に従って、関連する光電流は、 I の関係によって決定できます。 _ph = V G ここで、 V 2つの電極間に印加される電圧バイアスです。 私 _ph G に比例します 。

図4は、 R を示しています。 G の関数として 両対数プロットで。 Sb ₂ のデータポイント Se ₂ Teは、この作業で測定された結果であり、Sb ₂ のデータポイントです。 SeTe ₂ 同じ結晶成長条件と測定設定での以前の研究から抽出されています[27]。 Sb ₂ の厚さ SeTe ₂ ナノシートは約180nmです。波長は532nmです。両方のSb ₂ Se ₂ TeとSb ₂ SeTe ₂ R であることを示す 光パワー強度とは無関係です。これらのデータポイントは、ナノシートコンダクタンスの広い範囲にわたる点線の傾向に従います。これはその R をサポートします G に比例します 、これは私たちの提案と一致しています。

ナノシートコンダクタンスの関数としての応答性。これは、応答性がナノシートのコンダクタンスに比例することを示しています。 Sb ₂ SeTe ₂ データは報告された値からのものです

より高い光電流応答を備えたシステムは、潜在的なアプリケーションに非常に好まれます。特定のバンド構造とバンドギャップを備えた新しい材料やシステムを探すだけでなく、システムを適切に処理することも、光応答を強化するための適切な方法です。私たちの実験結果は、固有の電気コンダクタンスが光電流応答を最適化するための重要な要因になることを裏付けています。これは、適切な成長条件によって達成される可能性があります。図4に示すように、光電流はコンダクタンス調整によって2桁向上します。この研究は、他の研究者が簡単な電気テストを通じてさらなる実験研究のためのより良いシステムを選択するための適切なガイドラインを構築するように導くことができます。

R V での検出 =0.1 V 731に達し、2.6×10 ¹⁰ より高い導電率のナノシートで。これらの光応答は、（Sb、Bi） ₂ で報告されたすべての値よりも大きくなっています （Te、Se） ₃ トポロジカル絶縁体と低次元材料[27、28]であり、報告されているいくつかのヘテロ構造よりも低いだけです。最近、光電流の分野で低次元材料が大きな注目を集めています。これらの低次元材料で報告されている導電率が非常に高いことに気づきました。これは、導電率が光電流応答を支配する重要な要因であるという実験結果と一致しています。

図5は、 R を示しています。 真空および大気中の光パワー強度の関数として。 R が私たちの注意を引く 光の強度が500Wm ^-2 を下回ると、大幅に減少します。 雰囲気の中で。これは、この減少する R をサポートします 大気中の低光強度では、Sb ₂ の表面に吸着された分子の影響が原因である可能性があります。 Se ₂ テナノシート。

532nmの波長での光パワー強度の関数としての応答性と光伝導ゲイン。応答性は、真空中の弱い光パワー強度依存性です。光出力強度が500 W 未満の場合、大気中で光出力強度が低下すると、応答性が低下します。 / m ²

光応答は、サンプル表面の状態に非常に敏感です。有効応答領域の減少に加えて、表面の欠陥と酸化により、キャリアの移動度と寿命が低下する可能性があります。

最近、Bi ₂ の表面に分子が吸着していることが報告されています。 Se ₃ トポロジカル絶縁体は構造を曲げ、追加の2DEGにつながります。この誘導された2DEGは、有効なキャリア移動度を向上させます[30]。より高いキャリア移動度を備えたシステムは、キャリア通過時間を短縮し、より高い光電流を生成する可能性があります。一方、強化されたキャリア移動度は、光パワー強度とは無関係である必要があります。これらは、観察された R 抑制は、固有の輸送特性からではなく、主に有効な輝く領域からのものです。したがって、 R の低下は 低光パワー強度の空気中は、固有の複雑なキャリア緩和効果よりも、吸着された分子シャドウ効果に関連しているはずです。

応答性の定義は、入射光子に対する誘導キャリアの比率であり、\（R =\ eta \ frac {q} {hf}、\）として表すこともできます。ここで q 、 hf 、およびη は、それぞれ、キャリア電荷、光エネルギー、および量子効率です。 η 材料特性と光の波長に直接関係しています。他の外因性および内因性効果を除外し、分子の影の効果を最適化するために、 R （ a i r ）/ R （ v a c ）は、光パワー強度の関数としてプロットされます。図6に示すように、この比率は電力強度が増加するにつれて増加し、高電力強度で徐々に飽和します。

光パワー強度の関数としての、真空中の応答に対する空気中の応答の比率。データポイントは、理論上の予測とよく一致します。挿入図は、真空中の応答に対する空気中の応答性の比率が、光パワー強度の逆数に負の比例関係にあることを示しています

入射光子数が Y であるモデルを提案します。 、 m フォトンはマテリアルと相互作用し、 n 光子は、表面に吸着した分子によって遮断されます。つまり、 Y = m + n 。 Z は、1光子による平均誘導光電流キャリア数です。非常に弱い光強度では、写真の数は総分子単位よりもはるかに少なく、有効な光電流は統計計算に従う必要があり、その結果は量子効率ηを裏付けています。 、

この静的な計算は、実効光電流が弱い光パワー強度と長い緩和時間の限界で光パワー強度に強く関連することをサポートします。フォトン数は「フォトキャリアクリエーター」よりも小さい場合があります。実効光電流は次のように表すことができます

Y 光パワー強度に正比例します。 R （ a i r ）/ R （ v a c ）は Y の逆数に負の比例します Y に弱く依存しています Y の状況で ≫ n 。図6に示すように、測定されたデータポイントが理論式とよく一致していることを明確に示しています。挿入図は、データポイントが光パワー強度の逆数に負に比例していることを示しています。これらは、観察された光電流の低下が主に表面に吸着された分子の影の影響によるものであることを裏付けています。 \（\ frac {R（air）} {R（vac）} \）は、高出力強度で約0.4であり、表面が40％吸着分子で覆われていることを示しています。

図7の左下の挿入図は、時間の関数としての光電流を示しています。充電プロセスは、 e で説明できます。 ^{− t / k} 、ここで k は特徴的な時定数です。私たちの実験結果は、測定された光電流がフィッティングラインとうまく調和することを明らかにしています。右上の挿入図は、抽出された充電時定数を厚さの関数として示しています。厚みが増すにつれて時定数が減少することがわかります。この振る舞いは、均一な電流の流れのプロセスとして理解できます[27、28]。一方、異なる大気圧の充電および放電時定数が決定されます。充電時定数は放電時定数とほぼ同じであり、より低い大気圧でより長い時定数が観察されることを示しています。

左下の挿入図は、充電プロセスにおける時間の関数としての光電流を示しており、フィッティングラインとよく一致しています。右上の挿入図は、厚さの関数としての充電時定数を示しています。圧力の関数としての充電および放電時定数

結論

光電流はSb ₂ で実行されました Se ₂ 532nmの波長でコンダクタンスが異なるトポロジカル絶縁体。光電流は光パワー強度に対して線形であり、光電流は暗電流に比例します。コンダクタンスの高いナノシートでは、より高い光電流が観察されます。応答性はナノシートの導電率に比例します。応答性は、真空中の光パワー強度とは無関係ですが、空気中の低パワー強度では、つまり、ほとんどの報告された結果とは対照的に、応答性は大幅に低下します。空気中の応答性と真空中の応答性の比率は、光パワー強度の逆数に負の比例します。これらの振る舞いは、分子がブロックされたシステムにおける統計的な光電流として理解されます。理論モデルに従って、表面は空気中で40％吸着された分子で覆われています。厚さが増すにつれて時定数は減少します。この振る舞いは、均一な電流の流れのプロセスとして理解することができます。異なる圧力の充電および放電時定数が決定されます。より低い大気圧では、より長い時定数が観察されます。 R V での検出 =0.1 V 731に達し、2.6×10 ¹⁰ より高い導電率のナノシートで。これらは、（Sb、Bi） ₂ で報告されたすべての値よりも高くなっています （Te、Se） ₃ トポロジカル絶縁体と低次元材料であり、報告されているいくつかのヘテロ構造よりも低いだけです。

略語

ARPES：

角度分解光電子分光法

EDS：

エネルギー分散型X線分光法

SdH：

Shubnikov-de Haas

XPS：

X線光電子分光法