ZnO-QD /単層MoS2のI型ヘテロ構造に基づくUV-VisiblePhotodetector

要約

単層MoS ₂ は優れた光応答特性を示していますが、高感度光検出におけるその有望なアプリケーションは、原子の厚さが制限された吸着とバンドギャップが制限されたスペクトル選択性に悩まされています。ここでは、MoS ₂に関する調査を実施しました。比較のために、ZnO量子ドット（ZnO-QD）の装飾がある場合とない場合の単分子層ベースの光検出器。単層MoS ₂との比較光検出器、単分子層ZnO-QDs / MoS ₂ ハイブリッドデバイスは、より速い応答速度（それぞれ、1.5sおよび1.1s）、拡張された広帯域光応答範囲（深いUV-可視）、および0.084 A / Wを超えるより高い応答性、1.05×10のより大きな検出率などの可視スペクトルでの光応答の向上を示します。 ¹¹ ジョーンズ。これは、ZnO-QDからMoS ₂へのキャリーのかなりの注入から生じます。それらの接触界面に存在するI型ヘテロ構造の形成による。

ハイライト

1。
単層MoS ₂ 優れた光応答特性を示しています。
2。
ZnO-QD / MoS ₂ ハイブリッドデバイスは、より速い応答速度、拡張されたブロードバンド光応答範囲、および可視スペクトルでの強化された光応答を示します。
3。
ZnO-QDs / MoS ₂の接触界面に存在するI型ヘテロ構造。

はじめに

ブロードバンド光検出器は、オプトエレクトロニクスシステム、光通信、環境モニタリングなどの重要なコンポーネントです[1,2,3,4,5]。特に、重要な広帯域光検出器の1つであるUV-可視光検出器は、生物医学画像システム、紫外線天文学、ワイドスペクトルスイッチ、メモリストレージなどで使用されています[6、7、8]。したがって、この広帯域領域で非常に効果的な光応答を備えたさまざまな材料を製造することが非常に必要です[9、10]。最も研究されている遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）の1つとして、2D二硫化モリブデン（MoS ₂ ）は、次元の減少[11,12,13]、高いキャリア移動度、強い電子正孔閉じ込め、および高い光感度[14,15,16]により、さまざまな電子およびオプトエレクトロニクスデバイスを構築するための優れた可能性を示しています。ただし、単分子層のバンドギャップが1.8 eVと狭いため、MoS ₂ 通常、UV-可視範囲ではなく、緑色の光領域に対して優れた光吸収を示します。この広帯域光応答範囲を達成するための最も効果的な解決策の1つは、より大きなバンドギャップを所有する他の半導体とのヘテロ接合の構築です。これにより、応答範囲を可視範囲からUV領域に拡張できるだけでなく、光励起キャリアを注入してフォトゲインを大幅に向上させます。

タイプIIヘテロ接合は、最も広く研究されているタイプの2次元材料ベースの光検出器であり、内蔵電界によってキャリアを効率的に分離して光電流を高めることができますが、キャリアの再結合時間も長くなり、応答時間が遅くなります。比較すると、タイプIヘテロ接合のエネルギーバンド構造により、1つの大きなバンドギャップ材料から別のより狭いバンドギャップ材料に電荷を注入でき、より狭いバンドギャップ材料に電荷が蓄積されます。さらに、材料内に閉じ込められた電荷は、キャリア再結合効率を高めることができるため、それに基づくデバイスの応答時間は速くなります。上記のメリットにより、タイプIヘテロ接合、特に量子ドットと層状材料の間に形成されるヘテロ接合にかなりの注意が払われてきました。これらの2D-0Dハイブリッドアーキテクチャは、光吸収の強化を促進し、バンドギャップの調整を容易にし、応答と減衰時間を短縮し、Iによって誘発される光励起電荷の集中を促進するため、光検出器としての高性能で最近注目を集めています。 QDと層状材料の間に形成されたタイプのヘテロ接合[17、18、19]。

いくつかのワイドバンドギャップ半導体の中で、酸化亜鉛（ZnO）は、そのワイドバンドギャップ（3.37 eV）、高い励起子結合エネルギー（60 meV）、およびUV照射時の高速スイッチング時間により、UV光検出用の定評のある材料です。ライト[1、20]。最近、ZnO-QDは、独自の光学特性、大きな表面積対体積比、および調整可能な光学バンドギャップにより、オプトエレクトロニクスに広く適用されています[21、22]。さらに、電荷トラップ状態と組み合わされた量子トンネリングは、電荷キャリアが3方向すべてに閉じ込められているため、ZnO-QDの表面で発生します。したがって、2D MoS ₂に基づくI型ハイブリッドヘテロ構造を提示することは非常に重要です。高い光吸収率、応答性、検出性、EQE、電流オン/オフ比などを備えた優れたUV-可視ブロードバンド光応答を実現するためのZnO-QD。

ここでは、単層ZnO-QDs / MoS ₂に基づく光検出器を報告します簡単なプロセスで製造されたハイブリッド構造。単分子層MoS ₂の間に形成されたI型ヘテロ接合のためおよびZnO-QDであるこのデバイスは、高速応答速度、拡張された広帯域光応答範囲（深いUV可視）、強化された光吸収、光応答、および検出性を示します。また、0.073 mW / cm ² の電力密度（PD）で405nmの光の下で応答性が0.084A / Wに達することも注目に値します。、これは同じ波長でのハイブリッド光検出のそれに匹敵します[23、24]。したがって、私たちの研究は、光検出器の性能を改善し、高性能オプトエレクトロニクスデバイスの構成要素を拡張する方法を提供する可能性があります。

メソッドセクション

三角形の単分子層MoSの成長₂

三酸化モリブデン（MoO ₃ 、99.99％）および硫黄（S、99.5％）を使用して、高結晶性の三角形のMoS ₂を合成しました。化学蒸着（CVD）手順によるサファイア上のフレーク[7]。基板として、サファイアはアセトン、アルコール、脱イオン水でそれぞれ10分間超音波処理して十分に洗浄しました。次に、それらをしっかりと整列させ、3mgのMoO ₃を含むアルミナボートの上に配置しました。粉末、そしてボートは石英管に入れられ、炉の高温領域に置かれました。続いて、120 mgの硫黄（S）粉末を含む別のボートも石英管に入れられ、炉の低温領域に配置されました。成長させる前に、チューブ内の酸素と水を除去するために、チューブを真空バンプで排気し、純粋なアルゴン（Ar）ガス（99.999％）で数回パージしました。次に、MoO ₃の温度粉末は400°Cに上昇し、この温度を10分間維持した後、780°Cに上昇しました。 650℃に達すると、S粉末の温度は5分以内に150℃に上昇しました。次に、高温領域と低温領域をそれぞれ5分間と15分間の極限温度に保ち、チューブを10sccmの流量のアルゴンガスでフラッシュしました。炉を室温まで冷却した後、基板上にサンプルを成長させました。

ZnO量子ドットの合成

ＺｎＯ量子ドットは、室温下でゾルゲル法により合成された。合計0.878gの酢酸亜鉛二水和物（Zn（Ac）₂ ・2H ₂ O）コニカルボトル内の80 mlトリエチレングリコール（TEG）に加え、激しく攪拌しました。 0.252 gの水酸化リチウム一水和物（LiOH・H ₂ 次に、O）を徐々に溶液に加えた。 5時間以上撹拌した後、溶液は透明になり、UV励起の照明下で緑色の蛍光を観察することができました。溶液を24時間撹拌すると、はるかに強い蛍光を示しました。次に、ボトルを密封し、氷水中で30分間超音波処理しました。次に、沈殿物が現れるまで酢酸エチルをボトルに加えた。最終的に、ZnO量子ドット粉末サンプルを沈殿物の遠心分離によって収集し、アセトンで3回洗浄して未反応の前駆体を除去し、70°Cで6時間加熱し、エタノールに1時間分散させました。

ZnO-QDs / Monolayer MoS ₂ デバイス製造

従来のフォトリソグラフィーを使用して、単分子層MoS ₂上にAu / Ti電極を直接製造しました。デバイスを構築するためにサファイア基板上で成長しました。ポジ型フォトレジストをサファイア上に4000rpmで1分間スピンコーティングし、90°Cで1分間ベークしました。次に、単層MoS ₂上に電極パターンを作成しました。フォトリソグラフィーシステムによる。次に、熱蒸着によりＴｉ膜（５ｎｍ）とＡｕ膜（５０ｎｍ）を次々に基板上に堆積させ、続いてアセトン中で持ち上げてフォトレジストに付着したＴｉおよびＡｕ膜を除去して電極を形成した。その後、デバイスを200°Cで2時間、Ar（100 sccm）の流れでアニーリングして残留物を除去し、MoS ₂間の接触を改善しました。と電極。最終的に、ZnO-QDをエタノール溶液（2 mg / ml）に分散させ、単一の液滴を滴下し、MoS ₂上にスピンコーティングしました。デバイスを1000rpmで60秒間、70°Cで10分間ベークします。このプロセスを3回繰り返して、MoS ₂ 表面は十分なZnO-QDで覆われていました。

特性評価

光学画像は、成長したままのMoS ₂の形態を検証するために、MoticBA310Metによって撮影されました。。原子間力顕微鏡（AFM）の高さデータは、Bruker DimensionFastScanによって記録されました。ラマンマッピング、ラマンのスペクトル、およびフォトルミネッセンス（PL）は、周囲条件下で532 nmの励起レーザーを使用してラマンシステム（InVia-Reflex）で記録されました。 ZnO粉末サンプルの結晶構造のX線回折（XRD）は、8°min ^-1 の速度で測定されました。 D8 Advance in situX線粉末回折計を使用する。透過型電子顕微鏡（TEM）および高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）は、FEI Tecnai G2 F30装置（200 kV）によって検査されました。サンプル溶液（2 mg / ml）をカーボンコーティングされた銅グリッドに滴下し、真空乾燥オーブンに入れて70°Cで一晩乾燥させました。 UV-Vis拡散反射および吸収スペクトルは、分光光度計（Lambda950、PerkinElmer）によって取得されました。

光電性能の特性評価

私たちのデバイスは、電磁妨害を防ぐために密閉された箱でテストされました。可視光へのDUVはレーザー（VIASHO）によって生成されました。デバイスが完全に照射されるように、直径0.7cmの光スポットをデバイスに垂直に照射しました。光パワー強度は、シリコンパワーヘッド（Thorlabs S120VC）を備えたパワーエネルギーメーター（Thorlabs PM100D）で測定しました。すべての光電測定は、ソースメーター（Keithley 2636B）によって実行されました。

結果と考察

ZnO-QD /単分子層MoSの形態と構造₂ 光検出器

ZnO-QDs / MoS ₂の製造には、ZnO-QDs溶液のスピンコーティングを採用しました。図1aに示すように、デバイス。図1bは、単層MoS ₂の光学画像を示しています。平均辺長25μmのフレーク。図1cのAFM画像はMoS ₂の厚さを示していますフレークは〜0.8 nmであり、これらの三角形のMoS ₂を示しています。フレークは単層です[25]。さらに、384.24 cm ^-1 にある2つのラマンアクティブモードおよび403.18cm ^-1 図1dのラマンスペクトルに示されているのは、面内E ¹ に対応します。 _2g および面外A _1g 、それぞれ。 2つのピークの差は18.94cm ^-1 です。次に、図1eに示すPLスペクトルでは、1.84eVにピークがあります。どちらの結果も、単層MoS ₂の特徴です。 [26]。図1fに示す対応するラマンマッピングは、MoS ₂ フレークの厚さは均一です。

a 手付かずのデバイスとZnO-QD / MoS ₂の概略図端末。 b MoS ₂の光学画像フレーク、スケールバー、10μm。 c AFM画像、挿入図はMoS ₂の厚さを示しています、スケールバー、2μm。 d ラマンスペクトルと e MoS ₂のPLスペクトルフレーク。 f MoS ₂のラマンマッピングフレーク、スケールバー、5μm

ZnO-QDは、図2bに示すように、私たちの実験で観察された自然放出効果により発光することができます。図2bは、JCPDSカード番号に準拠した粉末ZnO-QDのXRDパターンを示しています。 36-1451と他のピークは観察されません。これは、ZnOの存在を確認するだけでなく、前駆体もアセトンによって完全に除去されたことを意味します。 QD材料のXRDパターンは、バルクまたは粉末材料[27]と比較して、半値全幅（FWHM）が広くなる傾向があります。これは、製造されたままのZnO粉末でも観察されます。エタノールに分散したZnO-QDの平均サイズと分布を確保するために、TEMとHRTEMが使用されます。 ZnO-QDの対応する画像を図2cおよびdに示します。 ZnO-QDの平均サイズは4.3±1.87nmです。この結果は、100を超えるZnO-QDの統計的TEM分析によって得られたものです。図2dのHRTEM画像から、ZnO-QDは、結晶性ZnOの（100）面に対応する0.28nmの格子間隔で結晶品質が高いことがわかります。

a 合成時間が異なるZnO-QDは、UV光の照射下で発光しました。 b 粉末状のZnO-QDのXRD回折パターン。 c 、 d ZnO-QDのTEMおよびHRTEM画像。挿入図は、ZnO-QDのサイズ分布を示しています

ZnO-QD /単層MoSの光電子性能₂ 光検出器

ZnO-QDs / MoS ₂の電流対バイアス電圧（I–V）特性暗い場所と明るい場所（532 nm）のデバイスを図3aに示します。挿入図は、負の電圧にある高倍率のI–V特性です。最高のオン/オフ比は、0.5Vの電圧で約100と測定されました。デバイスの有効面積は185.71μm² です。レーザーPDは1.97から24.08mW / cm ² まで変化します。単分子層MoS ₂間のショットキー接触による電極の場合、I–V曲線は非対称です。接触領域に配置されたショットキーバリアの利点は、ショットキーバリアが光生成された電子正孔対をより短時間で分離できるだけでなく、電子正孔再結合率を低下させて、高い光電流と高速応答速度を達成するのに役立つことです。 [28,29,30]。 PDが増加すると、デバイスに正の電圧が印加されたときに光電流が大幅に増加したため、以降のすべての測定は V で実行されました。 _ds =1V。

a ZnO-QD / MoS ₂のI–V特性異なる照明パワー密度の下での光検出器。挿入図は、暗くて異なる照明パワー密度の下でのより高い倍率のI–V特性（負の電圧）です。 b ZnO-QDs / MoS ₂の3D応答性マップ光検出器。 c V で532nmの励起波長の下での電力強度に依存する光電流（赤）と応答性（R、緑） _ds =1V。 d V での電力強度に依存する外部量子効率（EQE、赤）と比検出率（D *、緑） _ds =1 V

応答性は、光検出器の重要なパラメータの1つであり、 R によって定義されます。 _λ =私 _ph / PS、ここでPは光PD、Sは感光性の有効面積です。 ZnO-QDs / MoS ₂の3D応答マップを提示しますさまざまな V の影響を反映した図3bのデバイス _ds 応答性に関するPD。手付かずのデバイスとZnO-QDで装飾されたデバイスの性能の違いを見つけるために、光電流（ I ）を測定して比較しました。 _ph =私 <サブ>ライト − 私 _暗い）赤い点と応答性（ R ）でプロット _λ ） V で405nmレーザーを照射した状態で、緑色の点でプロット _ds =1 V、図3cに示すように。光電流は I によって適合されます _ph 〜P ^α ここで、Pは軽いPDであり、αはべき法則のインデックスを表します。測定された光電流、αの値をフィッティング =元のMoS ₂の場合は0.8 およびα =ZnO-QD / MoS ₂の場合は0.84 達成されます。ここで、計算されたα 1に近いということは、再結合によって失われる光励起キャリアが少ないことを意味します[31]。手付かずのデバイスの最大光電流は、24.08 mW / cm ² のレーザーPDで0.168nAです。 0.073 mW / cm ² の低いレーザーPDの下で0.028A / Wの応答性を示します。同じPDで、ZnO-QDs / MoS ₂ デバイスは、0.667nAのより高い光電流と0.084A / Wの応答性を示します。この結果は、単分子層MoS ₂の光電流を示しています。デバイスは、ZnO-QDの装飾によって大幅に改善できます。さらに、光検出における2つの重要なパラメータ、外部量子効率（EQE）と検出率（D *）も、さらに比較するために計算されました。 EQEは、デバイスの外部で収集された光生成電子と入射光子の数の比率であり、EQE =hc R として表されます。 _λ / λ e、ここでhはプランク定数、cは光速、λ は励起光の波長、eは基本電荷です。 D *については、光検出器の感度を定量化でき、D * = R として定義されます。 _λ S ^1/2 /（2e I _暗い）^1/2 I を想定した場合 _暗い大きなノイズの原因になります。図3dに示すように、元のデバイスは最大EQE（赤）とD *（緑）を示し、8.5％と3.84×10 ¹⁰ に対応します。それぞれ、0.075 mW / cm ² のレーザーPD下でのジョーンズ。一方、同じPDで、最大EQEとD *は、25.7％と1.05×10 ¹¹ に対応します。ジョーンズはそれぞれ、元の状態のジョーンズの約3倍であり、ZnO-QDs / MoS ₂によって得られます。端末。当社のハイブリッドデバイスによって達成されたD *は、グラフェン量子ドット/ WSe ₂などの層状材料に基づく他の多くの報告された光検出器のD *と競合します。 / Siヘテロ接合（4.51×10 ⁹ ジョーンズ）およびグラフェン/グラフェンQD /グラフェン構造（〜10 ¹¹ ジョーンズ）[32、33]。これは私が _暗いデバイスで得られる値は、1Vバイアスで0.1nA未満の非常に小さな値に減少します。 I に匹敵します _暗いグラフェン-シリコンヘテロ接合光検出器（ゼロバイアスで0.1 nA）[34]。

異なる波長のレーザーを照射した状態での、元のデバイスとZnO-QDで装飾されたデバイスの光電流を図4aに示します。 405 nm、532 nm、または635 nmのいずれにおいても、光電流の明確な増強が存在します。これは、バンドギャップが広いZnO量子ドットが可視光検出のパフォーマンスを向上させることができることを意味します。さらに、PDが0.26 mW / cm ² のハイブリッドデバイス254nm光の広帯域スペクトル応答を調査しました。 PDが0.51mW / cm ² の375nmの光ハイブリッドデバイスを照明するために適用され、図4bに示すように優れた光応答特性が観察されました。さらに、ハイブリッドデバイスは、800nmを超える波長の光で照らされたときに応答を示しません。ＵＶ光照明のパワーは低いが、光電流は依然としてはるかに高いか、または少なくともはるかに高いＰＤを有する可視光照明の下で得られるものと同等である。ハイブリッドデバイスがUV光を当てたときに、より多くの光子を吸収できるのは、ZnO-QDのワイドバンドギャップであると考えられます。したがって、多くのキャリーが生成され、MoS ₂に転送されます。光電流を大幅に拡大します。さらに、オン/オフ状態を250秒間で6回切り替えた後も、光電流と暗電流は同じレベルにとどまり、このハイブリッドデバイスの優れた光安定性を実証しました。

a 手付かずのデバイスとZnO-QD / MoS ₂の光電流 V で異なる波長の異なるPDの下で照射された光検出器 _ds =1V。 b ZnO-QDs / MoS ₂の光応答の複数のサイクル DUV（254 nm）およびUV（375 nm）光照明（ V ）下の光検出器 _ds =1 V）。 c の応答時間手付かずのデバイスと d ZnO-QD / MoS ₂ 35 mW / cm ² のPDで照らされた光検出器 V で635nmの波長 _ds =1V。 e ZnO-QD / MoS ₂の正規化されたPDCR V の532nmレーザー照明下の光検出器 _ds =1 V;より良い比較のために、1日目と31日目に測定された光電流を挿入しました

応答速度の速い光検出器は、光通信やビデオイメージングなどの一部の分野に適しています。光検出器のもう1つの重要なパラメータとして、応答時間も、PDが35 mW / cm ² の635nmの入射光の下で調査されました。。この作業では、光検出器の立ち上がり時間と減衰時間を、デバイスが初期電流から平衡値の90％に達するまでの時間、およびその逆の時間としてそれぞれ定義しました。手付かずのデバイスの場合、立ち上がり時間は9.5秒、減衰時間は17.4秒でした。これは、主に材料の欠陥によって導入されたバンドギャップにあるトラップ状態が原因で、応答速度が遅くなりました[35]。 MoS ₂の後図4cおよびdに示すように、光検出器はZnO-QDで装飾され、立ち上がり時間と減衰時間は1.5秒と1.1秒に短縮され、応答時間はそれぞれ84.2％と93.7％短縮されました。この結果は、ZnO-QDがMoS ₂の応答時間を大幅に短縮できることを示しています。光検出器とこのハイブリッド光検出器を実用的なアプリケーションに適した候補にします。ハイブリッド光検出器の長期安定性を評価するために、図4eに示すように、デバイスの光電流を1か月（3日の間隔）にわたって測定しました。光電流/暗電流比（PDCR = I _ph / 私 _暗い）適用されました。 1か月間空気にさらされた後、デバイスのPDCRは明らかな変性を示しません。挿入された画像は、1日目と31日目に測定された電流がほぼ同じレベルに留まっていることを示しています。明らかに、このハイブリッド光検出器は、長期間の光検出に対して優れた安定性を備えています。

光応答メカニズム

ここでは、ZnO-QDs / MoS ₂の光検出性能向上のメカニズムを調査しました。光検出器。まず、数値シミュレーションによりハイブリッド構造の吸収を確認しました。有限要素法を使用して、上部の空気領域と下部のサファイア基板で構成される計算モデルを構築しました。モデルの上部と下部は、偽の反射を避けるために2つの完全に一致するレイヤーによって切り捨てられました。サファイア基板の屈折率は定数1.75に設定されました。最初に、それぞれ厚さ0.8nmのMoS ₂を配置しました。独立した吸収をチェックするために、サファイア基板上の層と厚さ4.5nmのZnO層。 MoS ₂の屈折率単分子層は参考文献[36]から、ZnOの単分子層は参考文献[37]から取得しました。次に、ハイブリッド層（MoS ₂上のZnO）を配置します。）全体的な吸収を調べるために同じサファイア基板上に。図5aに示すように、ハイブリッド層は、裸のMoS ₂と比較して、400nm未満の波長領域で高い吸収を示します。単分子層、ZnO-QD装飾後のより良いUV吸収を明らかにします。次に、MoS ₂のUV-Vis吸収スペクトルを実験的に確認しました。、ZnO-QD、およびZnO-QD / MoS ₂ 結果は計算されたものと一致します。図5bに示すように、単層MoS ₂ UVから可視波長光までの広帯域吸収範囲を示し、波長がNIRに増加しても吸収ピークは見られません。 ZnO-QDに関しては、吸収ピークはUV波長光に位置し、MoS ₂と比較してより大きな吸収率が存在します。。 ZnO-QDの装飾後、ZnO-QD / MoS ₂ 自然のままのMoS ₂よりも強い吸収能力を示します、ヘテロ構造がより強い光と物質の相互作用を持っていることを示しています。対応するTaucプロットを図5cに示し、MoS ₂のバンドギャップを示します。およびZnO-QDは、それぞれ〜1.77 eVおよび〜3.42 eVと計算できます。これらは、以前のレポート[27、38]の値に近い値です。

a MoS ₂の計算された吸収スペクトル、ZnO-QD、およびZnO-QD / MoS ₂ 。 b MoS ₂のUV-vis吸収スペクトル、ZnO-QD、およびZnO-QD / MoS ₂ 。 c MoS ₂のTaucプロットおよびZnO-QD

以前のレポートに基づいて、MoS ₂ とZnO-QDは、どちらも仕事関数がそれぞれ4.7eVと5.3eVのn型半導体です[39、40]。 MoS ₂の電子親和力は約4.3eV [41]であり、ZnO-QD（4.2 eV）[42]よりもわずかに大きい。 MoS ₂のバンドギャップ Taucプロットの計算によれば、ZnO-QDは1.8eVおよび3.4eVと見なされます。 MoS ₂のエネルギーバンド構造図6aおよびbに示すZnO（接触前後）が構築され、光検出性能の向上に関するメカニズムを調査するために使用されます。

a および b MoS ₂のバンド図ですおよび接触前後のZnO-QD

MoS ₂ / ZnO-QDsヘテロ接合は、ファンデルワールス力によって形成され、界面でのI型バンド配列を使用して、応答性の向上を説明できます[42]。これらのヘテロ構造がUV光の下で照射されると、ZnO-QDとMoS ₂の両方が光子を強く吸収し、電子が価電子帯から伝導帯に移動するため、プロセス「I」が発生します。その後、電子はZnO-QDの伝導帯からMoS ₂に注入されます。一方、熱攪拌によりプロセス「V」を形成する伝導帯、一方、ZnO-QDの伝導帯の電子の一部はMoS ₂の伝導帯にトンネルします。、結果としてプロセス「III」が発生します。次に、ZnO-QDの価電子帯の正孔は、MoS ₂の対応する価電子帯に移動します。、プロセス「IV」に示されているように。また、自然放出は、ZnO-QDの伝導帯の電子の一部を生成し、価電子帯に戻って、MoS ₂の価電子帯の電子を励起できる光子を放出する可能性があります。プロセス「II」を形成するために伝導帯に。一方、ハイブリッドデバイスが可視光で照射された場合にも同様のプロセスが発生しましたが、励起された電子はZnO-QDの欠陥エネルギーレベルからのものであり[43]、励起エネルギーが低下します。その結果、これらの励起された電子正孔対は、ZnO-QDからMoS ₂に移動します。そして、元のデバイスと比較して、光電流の大幅な向上につながります。さらに、多数の励起されたキャリーMoS ₂ 図4cおよびdで観察された再結合率を大幅に増加させ、応答および減衰時間を減少させます[42]。

結論

要約すると、単層MoS ₂に基づく光検出器を報告します。 / ZnO-QDハイブリッド構造。単層MoS ₂との比較、ZnO-QD装飾は、可視スペクトルでの光応答の大幅な向上だけでなく、深紫外線（DUV）範囲への拡張にもつながります。可視光の励起下で、このハイブリッドデバイスはより速い応答速度（それぞれ1.5sと1.1s）、0.084 A / Wを超えるより高い応答性、および1.05×10 ¹¹ のより大きな検出性を示します。ジョーンズ。これらは、ZnO-QDからMoS ₂へのキャリーの大量注入に起因します。。さらに、ハイブリッドデバイスは、室温の大気にさらされても優れた安定性を示します。したがって、私たちの研究は、光検出器の性能を改善し、高性能オプトエレクトロニクスデバイスの構成要素を拡張する方法を提供する可能性があります。