Comparação experimental entre Nb2O5

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7104 (2023) Citar este artigo

747 acessos

1 Citações

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

No presente estudo, adicionando grafeno a um fotodetector fotocondutor com uma camada absorvedora de pentóxido de nióbio (Nb2O5) e explorando o efeito de fotoativação, a responsividade do fotodetector é significativamente melhorada. Neste fotodetector, a camada de Nb2O5 detecta a luz e o grafeno melhora a responsividade com base no efeito de photogating. A fotocorrente e a razão percentual da fotocorrente para a corrente escura do fotodetector Nb2O5 são comparadas com as do fotodetector fotocondutor correspondente. Além disso, os fotodetectores fotocondutores e fototransmissores de Nb2O5 são comparados com os fotodetectores fotocondutores e fototransmissores de dióxido de titânio (TiO2) em termos de responsividade em diferentes tensões aplicadas (origem-fonte) e tensões de porta. Os resultados mostram que os fotodetectores de Nb2O5 apresentam melhores figuras de mérito (FOMs) em comparação com os de TiO2.

Materiais bidimensionais podem interagir fortemente com a luz. Um desses materiais bidimensionais é o grafeno, que é uma monocamada de átomos de carbono firmemente arranjados em uma rede cristalina com um padrão de favo de mel bidimensional1. O primeiro grafeno sintético de camada única foi feito e caracterizado por Game e Novoselov em 2004. Por esta invenção, Game e Novoselov receberam o Prêmio Nobel de Física em 20102. Em 2013, folhas atômicas bidimensionais de grafeno e uma nova classificação de nanoescala materiais que podem ser usados ​​em eletrônica foram propostos3. As propriedades interessantes do grafeno incluem alta mobilidade de carga, excelente condutividade térmica e alta resistência1,4,5,6,7. Uma das aplicações do grafeno é em fotodetectores. O grafeno de camada única pode absorver apenas 2,3% da luz irradiada de 300 a 2500 nm, por isso tem baixa responsividade8. A responsividade dos fotodetectores de grafeno pode ser melhorada de diferentes maneiras, incluindo o uso de estruturas de microcavidades9, pontos quânticos10, arranjos de nano discos de grafeno11, guias de onda de grafeno3,12,13, heteroestruturas e grafeno incorporado com diferentes materiais14,15. Alta responsividade foi relatada nos fotodetectores de grafeno com efeito de fotoativação16,17,18. Em 2010, um detector de grafeno foi feito. O detector de grafeno teve uma responsividade de 6,1 mA/W em um comprimento de onda de 1,55 μm19. Em 2012, foi apresentado um detector de grafeno com cavidade. O detector tinha uma resposta de 21 mA/W em um comprimento de onda de 850 nm9. Em 2015, foi apresentado um detector de grafeno e nitrato de boro com um guia de ondas óptico; este detector tinha uma resposta de 0,36 A/W20. Vários estudos foram realizados sobre o grafeno e os processos de absorção de luz, incluindo efeito fotovoltaico (geração de fotocorrente baseada na separação elétron-buraco sob o campo elétrico na junção das regiões com diferentes impurezas), efeito photogating (absorção de luz que altera a densidade do portadores, que por sua vez leva a uma mudança na condutividade do componente na estrutura do transistor), efeito bolométrico (alteração na condutividade como resultado da radiação de luz e aumento de temperatura) e efeito termoelétrico (criando tensão de acordo com o efeito Seebeck devido ao aumento da temperatura dos portadores)21. Uma vez que a responsividade do efeito photogating é muito maior do que a de outros efeitos, o presente estudo enfoca esse efeito. No efeito de fotoativação, um dos portadores fica preso na camada absorvedora. Em outras palavras, a vida útil dos portadores adicionais aumenta à medida que os portadores são separados uns dos outros por defeitos e impurezas. Se um tipo de portadores gerados estiver preso, ele pode gerar um campo elétrico adicional, como uma tensão de porta para modular a condutância do canal22,23,24,25,26. Tais detectores de pequenas dimensões apresentam alta responsividade e velocidade de resposta limitada devido ao prolongamento da vida útil das portadoras adicionais27. Em 2012, uma estrutura de grafeno com pontos quânticos foi proposta. Nesta estrutura, uma responsividade de 107 A/W foi obtida em um comprimento de onda de 532 nm10. Em 2016, a estrutura grafeno∕SiO2/Si levemente dopado foi usada para alta sensibilidade e responsividade. A faixa de operação foi das regiões do visível ao infravermelho próximo, e a responsividade foi de 1000 A/W em um comprimento de onda de 514 nm. Nesse fotodetector, devido aos defeitos entre o SiO2 e o Si levemente dopado, os elétrons se acumulam nos traps e criam uma tensão de porta negativa, fazendo com que mais buracos sejam induzidos e aumentando assim um alto ganho25. Em 2018, o fósforo preto (BP) com um bandgap direto de 0,3 eV foi usado como material absorvedor de luz. Nos comprimentos de onda de 655 nm, 785 nm e 980 nm, as responsividades de 55,75 A/W, 1,82 A/W e 0,66 A/W foram obtidas, respectivamente. Os elétrons excitados ficam presos em níveis de armadilha, e os buracos passam pela camada de grafeno pelo potencial interno entre o grafeno e o BP. A vida útil dos portadores aumenta com armadilhas. Devido à alta mobilidade do grafeno, os buracos podem fluir no circuito antes de se recombinarem com os elétrons. A estrutura introduzida funciona nas regiões do visível ao infravermelho próximo com base no efeito photogating22. Em 2018, nanopartículas de Ti2O3 com gap de banda de 0,09 eV foram usadas para fabricar um detector no espectro do infravermelho médio. O mecanismo é o mesmo de antes. Este detector tinha uma resposta de 300 A/W para um comprimento de onda de 10 μm28. Em 2018, o efeito de fotoativação em fotodetectores de grafeno foi investigado usando substrato de Si dopado com SiO2/n. Nos comprimentos de onda de 450 nm e 1064 nm, as responsividades foram 500 A/W e 4 A/W, respectivamente. A curvatura da banda na interface Si/SiO2 separa os pares elétron-lacuna. Sob o campo elétrico, os elétrons se movem em direção ao Si enquanto os buracos ficam presos na interface Si/SiO2; o acúmulo de buracos na interface Si/Si2 age como uma porta positiva e aumenta o nível de Fermi do grafeno. Isso faz com que o grafeno se torne do tipo n24. Em 2018, um transistor de grafeno foi fabricado com um substrato de antimoneto de índio (InSb). Foi alcançada uma responsividade de 33,8 A/W com um efeito de fotoativação em um comprimento de onda de 4,6 μm29. Nos últimos anos, vários fotodetectores com camadas absorvedoras de TiO2 e Nb2O5 na região do UVA foram apresentados30. Em 2011, um nanobelt de Nb2O5 foi proposto e, a 1 V, obteve-se uma responsividade de 15,2 A/W31. Em 2015, um fotodetector de nanoplacas de Nb2O5 foi fabricado com uma responsividade de 24,7 A/W a 1 V32. Em 2021, um fotodetector de nanofios MAPbI3 foi fabricado e uma responsividade de 20,56 A/W a 1 V foi relatada33. Em 2023, uma heterojunção tipo II de fibra híbrida de nanopartículas de TiO2 NTs/Cs3Cu2I5 foi apresentada com uma responsividade de 26,9 mA/W a − 1 V34. O efeito photogating pode ser investigado em três estruturas diferentes, ou seja, quantum dot10, bulk23,24,25 e estruturas de filme fino8. Os pontos quânticos podem ser integrados em materiais bidimensionais para obter algumas vantagens. Como primeira vantagem, pontos quânticos com maior espessura resolvem o problema da baixa absorção óptica de materiais bidimensionais. A segunda vantagem é que os materiais bidimensionais têm alta mobilidade de portadores, e a terceira vantagem é que alguns materiais bidimensionais não possuem um amplo espectro de absorção, enquanto os pontos quânticos compensam essa responsividade limitada. Para um material bidimensional como o grafeno, não há mecanismo para produzir múltiplos portadores de um fóton. Ao usar pontos quânticos, um grande número de buracos pode fluir no circuito e, como resultado, o ganho aumenta. Isso ocorre porque o tempo de vida dos elétrons presos é longo e a mobilidade dos portadores no grafeno é alta. Uma das desvantagens dos pontos quânticos é sua toxicidade. Além disso, as dimensões dos pontos quânticos alteram a largura de banda dos materiais utilizados. Em detectores bulk, devido aos defeitos entre o SiO2 e o Si levemente dopado, os elétrons se acumulam nas armadilhas e criam uma tensão de porta negativa, causando a indução de mais buracos e aumentando assim o ganho. Em outras palavras, a curvatura da banda na interface Si/SiO2 separa os pares elétron-lacuna. Sob o campo interno, os elétrons se movem em direção ao substrato de Si enquanto os buracos ficam presos na interface Si/SiO2, e o acúmulo de buracos na interface Si/SiO2 age como uma porta positiva e aumenta o nível de Fermi do grafeno. Como resultado, o grafeno é convertido em grafeno tipo n. Um substrato de silício altamente dopado não é usado, pois possui portadores adicionais com uma vida útil muito menor. A aplicação da estrutura bulk é limitada a materiais de alta energia e raios X23,24,25.