In2S3量子ドット：準備、特性、オプトエレクトロニクスアプリケーション

要約

低次元半導体は、その独自の物理的、電気的、および光学的特性により、多くのデバイスアプリケーションで優れた性能を発揮します。この論文では、In ₂を合成するための斬新で簡単な方法を報告します。 S ₃ 大気圧および室温条件での量子ドット（QD）。これには、硫化ナトリウムと塩化インジウムの反応と、界面活性剤としてドデシル硫酸ナトリウム（SDS）を使用してIn ₂を生成することが含まれます。 S ₃ 優れた結晶品質のQD。準備されたままのIn ₂のプロパティ S ₃ QDが調査され、QDに基づく光検出器も製造されて、オプトエレクトロニクスアプリケーションでの材料の使用が研究されました。結果は、デバイスの検出率が〜10 ¹³ で安定することを示しています。逆バイアス電圧での365nm紫外線照射下での室温でのジョーンズ。

背景

グラフェンのような二次元ナノ材料は、科学的および技術的に大きな関心を集めています[1、2]。現在、独自の光電特性を示す低次元材料の開発への関心が高まっており[3]、量子ドット（QD）が大きな注目を集めています[4]。硫化インジウム（In ₂ S ₃ ）グループIII–VIの半導体材料[5]に属するQDは、多くの潜在的なアプリケーションに適した、多くの独自の光電気的、熱的、および機械的特性を備えています。たとえば、硫化物ナノ材料は、太陽電池[6]、光検出器[7、8]、生物学的イメージング[9]、および光触媒分解[10]で使用するための急速な開発を経験しています。硫化物QDの作成にはさまざまな方法があり、「トップダウン」と「ボトムアップ」の2つの主要なカテゴリに分類できます[11]。

ただし、熱水[12]、テンプレート[13、14]、マイクロ波法[15]などの一般的に使用されるボトムアップ法には、硫化物QDの広範な適用を制限する多くの制限があります[16]。硫化物QDの適用を成功させるには、安定した信頼性の高い高品質のQD材料を製造できる低コストで簡単な調製方法を開発することが最も重要です[17]。この記事では、In ₂の合成を可能にする新しい調製方法を紹介します。 S ₃ 大気温度条件でのQDは、塩化インジウムと硫化ナトリウムをそれぞれインジウムと硫黄の供給源として使用することによって開発されました。調製したままのIn ₂の物理的および光電的特性 S ₃ QDは、複数の特性評価手法を使用して調査されました。

In ₂をベースにした光電デバイス S ₃ QDが作成され、結果はデバイスの検出率が10 ¹³ で安定することを示しています。室温で365nmのUV照射下にあるジョーンズ。これはIn ₂を示しています。 S ₃ QDは、光検出器に大きな可能性を秘めています。他の成長方法と比較して、報告されたアプローチは、穏やかで、簡単で、環境に優しく、迅速で、安価です。そのため、低コストで大規模なデバイスの製造に適しており、優れた性能も得られます。この作業は、光電検出の分野で硫化物量子ドットの将来のアプリケーションのための低コストで効果的な製造技術を示しています。

メソッド

資料

硫化ナトリウム（Na ₂ S・9H ₂ O）は、中国の天津にあるTianjin Wind Ship Chemical Testing Technology Co.Ltd。から購入しました。塩化インジウム（InCl ₃ ・4H ₂ O）は、Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co. Ltd Shanghai、Chinaから入手しました。ドデシル硫酸ナトリウムは、中国の上海にあるSinopharm Chemical Reagent Co.Ltd。から購入しました。透析バッグ（USAスペクトルラボの再生セルロース膜、 M _w =300）はShanghai Yibai Economic and Trade Co. Ltdから購入しました。上記のすべての資料は商業的に購入され、さらに精製することなく使用されました。

In ₂ S ₃ QDの作成

₂ S ₃ QDは、図1aに示す製造プロセスを使用して作成されました。 Na ₂ S（0.1 mol / L）およびInCl ₃ （0.1 mol / L）を最初に脱イオン水に溶解しました。同量のNa ₂ SおよびSDS（CMC 0.008 mol / L）溶液を、マグネチックスターラーを使用して1500rpmで20分間混合しました。 InCl ₃の混合物 SDSも同様に作成しました。 SDSの追加は、制御された合成プロセスの下で単分散の不動態化されたQDを取得することです。 Na ₂ 次に、S混合物をInCl ₃に加えた。ビーカー内の混合溶液で化学反応を開始し、10分後に黄色がかった生成物をもたらしました。反応液に脱イオン水を加え、3000rpmで5分間遠心分離した。生成物を３回洗浄し、透析バッグを使用して精製した。準備されたIn ₂ S ₃ QDは透析バッグに収集されました。

特性評価

透過型電子顕微鏡（TEM）画像は、200kVで動作するJEM-2100高解像度透過型顕微鏡で取得しました。光起電力デバイスの表面形態と位相画像は、それぞれ走査型電子顕微鏡（SEM、FEI Quanta 200）とAFM（原子間力顕微鏡、SPA-400）によって決定されました。 XRD分析は、CuKa放射線を使用したRigakuD / Max-RAX線回折計を使用して調査しました。ラマンスペクトルは、514.5nmの励起波長でアルゴンイオンレーザーを備えたラマン顕微鏡を介してレニショーで周囲温度で記録されました。光学特性は、UV-vis、UV-vis-NIR（UV-3600）、および蛍光（Hitachi F-7000）分光計によって特徴づけられました。 In ₂の表面の官能基 S ₃ QDは、72 WのモノラルKa放射線を使用したXPS（X線光電子分光法）（PHI VersaプローブII）によって検証されました。 J-V および C-V ケースレー2400ソースメーターと半導体デバイスアナライザー（Keysight B1500A）をそれぞれ使用して測定されました。

結果と考察

構造と形態の研究

In ₂のTEM画像 S ₃ QDを図1b–eに示します。 In ₂ S ₃ QDは均等に分散され、回転楕円体の形態を示します。その粒子サイズ分布は、1〜3nmの範囲のサイズと1.12nmのFWHMのガウス分布に従います。粒子の平均サイズは2.02nmです。図1c–eは、In ₂のHRTEM画像です。 S ₃ d の格子縞を示すQD =0.271 nm、0.311 nm、および0.373 nmは、それぞれ400、222、および220の格子面の立方晶系に対応します[18]。図1iは、図1dに示した格子縞の縦方向のプロファイルを示しています。選択した領域（赤い点線の正方形）の高速フーリエ変換（FFT）パターンを図1dの挿入図に示します。これは、400面回折から6つの明るいスポットを示し、六方晶系の結晶構造を示しています。準備されたままのIn ₂の走査型電子顕微鏡（SEM）画像 S ₃ QDを図1fに示します。示されているように、In ₂ S ₃ 量子ドットは、その表面エネルギーを低減するために凝集して比較的コンパクトな構造を形成します。 In ₂の400、222、および220でのX線回折（XRD）平面 S ₃ QDは図1gに示され、シアー式を使用して計算された粒子サイズは、HRTEM画像の400面から測定されたサイズとよく一致しています。図1hは、In ₂のラマンスペクトルを示しています。 S ₃ 304 cm ^-1 に典型的なピークを持つQD および930cm ^-1 [19]。原子間力顕微鏡（AFM）は、ランダムに選択された4つのIn ₂で実行されました。 S ₃ 図1jに示すようにA、B、C、およびDとマークされたQDで、測定された高さはそれぞれ1.53 nm、2.35 nm、1.35 nm、および2.32 nmです（図1kに示されています）。 AFM測定からの1.94nmの平均高さは、TEMから得られたものに非常に近いです。

In ₂の推定バンドギャップ S ₃ QDは3.50eVであり、量子効果により、バルク値の2.3eVよりも大きくなっています。バンドギャップは、Brusの式を使用して計算されました：

$$ {E} _ {np} \ approx {E} _ {g（0）} + \ frac {{\ overline {h}} ^ 2 {\ pi} ^ 2} {2 {R} ^ 2} \ left（\ frac {1} {{m_e} ^ {\ ast}} + \ frac {1} {{m_h} ^ {\ ast}} \ right）-\ frac {1.8 {e} ^ 2} {4 \ pi \ varepsilon R} $$（1）

ここで E _np QDのバンドギャップ E _g バルクIn ₂のバンドギャップです。 S ₃ （2.3 eV）、\（\ overline {h} \）=h /2πは縮小プランク定数 e は電子の電荷、 m _e *は電子の有効質量 m _h ^* は正孔の有効質量 m _e ^* = m _h ^* （0.25×10 ⁻²⁸ g）、 R は粒子の半径であり、ε は誘電率です（ε= 11）。

図2aは、In ₂の紫外可視（UV-vis）吸収スペクトルを示しています。 S ₃ QD。 225nmと283nmに2つの特徴的な吸収ピークがあります[20]。 In ₂以降 S ₃ は直接バンドギャップ材料であり、その光学バンドギャップは次の式で表すことができます。

$$ \ alpha hv =A {\ left（hv- Eg \ right）} ^ {1/2} $$（2）

ここでα は吸収係数、 A 定数、 hv は光エネルギーであり、例はバンドギャップエネルギーです。

QDのバンドギャップエネルギーは、（αhvの曲線から推定できます。）² 対写真エネルギー（ hv ）。推定された E _g 図2aの挿入図に示すように、3.54 eVは、Brus方程式（ E ）を使用して計算された値に非常に近い値です。 _np =3.50 eV）。 In ₂の光学特性を調査するために、フォトルミネッセンス（PL）およびフォトルミネッセンス励起（PLE）[21]の研究が行われました。 S ₃ QD。図2bから、300〜450 nmの波長に発光ピークがあり、 E の励起下で最も強いピーク強度が約390nmに集中していることがわかります。 _x =250nm。図2cのPLEスペクトルは、特徴的な励起ピークの波長が受信波長（500〜540 nm）よりも短いことを示しています。 In ₂のエネルギーギャップの拡大 S ₃ バルク材料と比較したQDは、PLおよびPLEの結果によっても示される場合があります。 In ₂の蛍光 S ₃ 可視光および365nmUV光下でのQDを図2cの挿入図に示します。これは、In ₂ S ₃ QDは優れたUV蛍光特性を備えています。 In ₂の化学結合を研究するために、X線光電子分光法（XPS）も実行されました。 S ₃ QD。図2dは、162.5 eVのS2p、In3d _5/2で構成されるXPSフルスキャンスペクトルを示しています。 444.5 eV、およびIn3d _3/2 452.5eVで。その上、界面活性剤と反応物からの残留Cl、Na、O、およびCがあります。 S2pとIn3dのコアレベルのピークをそれぞれ図2e、fに示します。デコンボリューションされたピークは、S2p（In-S、C-S）、In3d _5/2の結合状態を示しています。。（In-S、In-O）、およびIn3d _3/2 （In-S、In-O）。

In ₂として S ₃ QDは、優れた紫外線吸収特性、In ₂に基づくUV光検出器を示しました。 S ₃ QDが作成され、調査されました。準備プロセスを図3aに示します。

Auインターデジタル電極の仕様は、Tangによって報告されたものと同様です。 etal。 [22]、厚さ400 nm、長さ120μm、幅と間隔10μmの電極で構成されています。図3bは、空の電極の光学画像を示しています。図3c、dは、In ₂で満たされた電極の間隔を示す光学顕微鏡画像を示しています。 S ₃ 感光層として機能するQD。電圧に対する測定電流密度（ J - V ）およびログ（ J - V ）0.16 mW cm ^-2 で照射された、暗い状態でのデバイスの曲線および0.47mW cm ⁻² 365 nmのUV光のパワー密度をそれぞれ図3e、fに示します。照射電力密度が増加すると電流密度の増加が観察され、整流器の特性を示しています。責任（ R ）および検出性（ D * ）の光検出器は、次の式を使用して計算されます。

$$ R ={J} _ {\ mathrm {ph}} / {P} _ {\ mathrm {opt}} $$（3）$$ D \ ast =\ frac {R} {\ sqrt {2q / jd }} $$（4）

ここで J _ph は光電流密度、 P _opt は光パワー密度、 q は絶対電子電荷（1.6×10 ^-19 クーロン）、および J _d は暗電流密度です[23]。図3gから、 R の最大値は4.13A W ^-1 、これはグラフェンや他の多くの二次元ナノ材料デバイスよりも大幅に大きく[24、25]、逆バイアス電圧の増加とともに増加することが見られます。図3hに示すように、 D * 約10 ¹³ で安定しますジョーンズ。

空の電極とIn ₂で満たされた電極の光学画像 S ₃ QDを図4aに示します。 R のプロット - T In ₂から測定 S ₃ 1Vおよび2Vの電圧でのQDベースの光検出器を図4bに示します。これは、温度の上昇が抵抗の減少につながったことを示しています。ただし、単純な線形関係は示されません。 In ₂の電気的特性を理解するために S ₃ QD、ln （ρ） -1 / T デバイスの評価が達成され、結果が図4cに示されています。 2つのモデル方程式を使用する[26]：

$$ \ rho =R \ frac {\ left（N-1 \ right）\ kern0em wd} {l} $$（5）$$ \ mathrm {In} \ \ left（\ rho \ right）\ kern0.5em =\ kern0.5em \ mathrm {In} \ kern0.5em（A）\ kern0.5em + \ kern0.5em {E} _a / \ kern0.5em \ left（{k} _b \ cdot T \ right）$$ （6）

ここで N は、かみ合った電極の数、 w は重なり合う長さ、 l は間隔であり、 d はフィルムの厚さです[27]。単純な線形回帰を使用して、計算された熱活性化エネルギー（ E _a ）は0.011 eVであり、指先の係数（ A ）は4.16×10 ⁸ Ω°cm。 In ₂の熱活性化エネルギー S ₃ 得られたエネルギーがキャリアが伝導に参加するのに十分である限り、量子ドットを減らすことができ、その結果、抵抗率が低くなり、導電率が高くなる可能性があります。

通常、 C - V 測定は、半導体インターフェースと電荷輸送の性質に関する多くの重要な情報を提供することができます。図4dは、静電容量が周波数の増加とともに減少し、静電容量の減少が低周波数で顕著であることを示しています。これは、交流信号に応答する界面状態によるものであり、界面状態の存在は高周波でのAC信号を抑制し、その結果、傾向が弱くなるか、静電容量が一定になります。図4eは、 C-V を示しています。 In ₂の曲線 S ₃ 周波数40MHzの室温でのQDベースの光検出器。 C-V バイアスの下での関係は、[28]

として表すことができます。 $$ {C} ^ {-2} =\ frac {2 \ left（{V} _ {bi} -V \ right）} {q {\ varepsilon} _0 {\ varepsilon} _r {NS} ^ 2} $ $（7）

ここで、 V _bi はゼロバイアスでのビルトインポテンシャル、ε ₀ は真空の誘電率、ε_r は材料の比誘電率、 N は空乏層のキャリア濃度であり、 S は感光領域です（3.3mm ² ）。 x切片は V です _bi =0.6 V、およびキャリア濃度 N 1 / C の線形セクションの勾配から計算できます ² 対 V プロット[29]：\（N =\ frac {-2} {q {\ varepsilon} _0 {\ varepsilon} _r {A} ^ 2} {\ left [\ frac {\ partial \ left（{C} ^ { -2} \ right）} {\ partial V} \ right]} ^ {-1} \）、および計算された N =4.3×10 ¹⁹ cm ^-3 。空乏幅（ W _d ）は電極とIn ₂の間にあります S ₃ QDレイヤー。\（{W} _d ={\ left [\ frac {2 {\ varepsilon} _0 {\ varepsilon} _r \ left（{V} _ {bi} -V \ right）} {qN} \で表されます。右]} ^ {1/2} \）、計算された W _d = 12.34nm。これらの物理的パラメータを図4fに示します。 V であることは明らかです _bi および W _d 同様のQDデバイス（グラフェン量子ドットなど）[30]と同じですが、 N ゼロバイアスで1桁大きくなります。これは、他のQDデバイスと比較したデバイスの優れたパフォーマンスを説明しています[31]。

結論

高い結晶品質のIn ₂を生成するための斬新で簡単な調製方法 S ₃ QDが開発されました。 In ₂の構造的、光学的、電気的、および光起電力特性 S ₃ QDが研究されています。暗視野条件では、活性化エネルギー（ E _a ）、指先の要因（ A ）、ビルトインポテンシャル（ V _bi ）、および空乏層幅（ W _d ）In ₂に基づくUV光検出器の S ₃ QDが取得されました。 ₂ S ₃ QDは、最高の検出率（ D * ）を示す、製造された光検出器の唯一の光活性材料として使用されました。）の2×10 ¹³ プリアンプなしの365nmUV光照明下での室温でのジョーンズ。この方法は、高性能で大規模なIn ₂のアレイを開発するのに理想的です。 S ₃ 非常に低コストのQDベースのUV光電検出器。