Confronto sperimentale tra Nb2O5

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7104 (2023) Citare questo articolo

747 accessi

1 Citazioni

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Nel presente studio, aggiungendo grafene a un fotorilevatore fotoconduttivo con uno strato assorbente di pentossido di niobio (Nb2O5) e sfruttando l'effetto fotogating, la reattività del fotorilevatore è significativamente migliorata. In questo fotorilevatore, lo strato Nb2O5 rileva la luce e il grafene migliora la reattività in base all'effetto fotogating. La fotocorrente e il rapporto percentuale tra fotocorrente e corrente di buio del fotorilevatore fotogating Nb2O5 vengono confrontati con quelli del corrispondente fotorilevatore fotoconduttivo. Inoltre, i fotorilevatori fotoconduttivi e fotogating Nb2O5 vengono confrontati con i fotorilevatori fotoconduttivi e fotogating di biossido di titanio (TiO2) in termini di reattività a diverse tensioni applicate (drain-source) e tensioni di gate. I risultati mostrano che i fotorivelatori Nb2O5 hanno migliori cifre di merito (FOM) rispetto a quelli TiO2.

I materiali bidimensionali possono interagire fortemente con la luce. Uno di questi materiali bidimensionali è il grafene, che è un monostrato di atomi di carbonio strettamente disposti in una rete cristallina con uno schema bidimensionale a nido d'ape1. Il primo grafene sintetico a strato singolo è stato realizzato e caratterizzato da Game e Novoselov nel 2004. Per questa invenzione, Game e Novoselov hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 20102. Nel 2013, fogli atomici bidimensionali di grafene e una nuova classificazione dei materiali su scala nanometrica sono stati proposti materiali utilizzabili in elettronica3. Le interessanti proprietà del grafene includono elevata mobilità della carica, eccellente conduttività termica ed elevata resistenza1,4,5,6,7. Una delle applicazioni del grafene è nei fotorilevatori. Il grafene a strato singolo può assorbire solo il 2,3% della luce irradiata da 300 a 2500 nm, quindi ha una bassa reattività8. La reattività dei fotorilevatori di grafene può essere migliorata in diversi modi, compreso l'uso di strutture di microcavità9, punti quantici10, array di nano dischi di grafene11, guide d'onda di grafene3,12,13, eterostrutture e grafene incorporato con materiali diversi14,15. È stata segnalata un'elevata reattività nei fotorilevatori di grafene con effetto fotogating16,17,18. Nel 2010 è stato realizzato un rilevatore di grafene. Il rilevatore di grafene aveva una reattività di 6,1 mA/W ad una lunghezza d'onda di 1,55 μm19. Nel 2012 è stato presentato un rilevatore di grafene con una cavità. Il rilevatore aveva una reattività di 21 mA/W ad una lunghezza d'onda di 850 nm9. Nel 2015 è stato presentato un rilevatore di grafene e nitrato di boro con guida d'onda ottica; questo rilevatore aveva una reattività di 0,36 A/W20. Sono stati condotti vari studi sul grafene e sui processi di assorbimento della luce, tra cui l'effetto fotovoltaico (generazione di fotocorrente basata sulla separazione elettrone-lacuna sotto il campo elettrico alla giunzione delle regioni con diverse impurità), l'effetto fotogating (assorbimento della luce che modifica la densità del portatori, che a sua volta porta ad un cambiamento nella conduttività del componente nella struttura del transistor), effetto bolometrico (cambiamento di conduttività come risultato della radiazione luminosa e dell'aumento della temperatura) ed effetto termoelettrico (creazione di tensione secondo l'effetto Seebeck dovuto all’aumento della temperatura dei portatori)21. Poiché la reattività dell’effetto photogating è molto più elevata di quella di altri effetti, il presente studio si concentra su questo effetto. Nell'effetto fotogating, uno dei portatori è intrappolato nello strato assorbente. In altre parole, la durata dei trasportatori aggiuntivi aumenta man mano che i trasportatori vengono separati l'uno dall'altro da difetti e impurità. Se un tipo di portanti generati viene intrappolato, può generare un campo elettrico aggiuntivo come una tensione di gate per modulare la conduttanza del canale22,23,24,25,26. Tali rilevatori di piccole dimensioni mostrano un'elevata reattività e una velocità di risposta limitata a causa del prolungamento della vita dei portatori aggiuntivi27. Nel 2012 è stata proposta una struttura di grafene con punti quantici. In questa struttura è stata ottenuta una reattività di 107 A/W ad una lunghezza d'onda di 532 nm10. Nel 2016, la struttura grafene∕SiO2/Si leggermente drogato è stata utilizzata per elevata sensibilità e reattività. Il campo operativo andava dalle regioni del visibile al vicino infrarosso e la reattività era di 1000 A/W a una lunghezza d'onda di 514 nm. In questo fotorivelatore, a causa dei difetti tra SiO2 e Si leggermente drogato, gli elettroni si accumulano nelle trappole e creano una tensione di gate negativa, provocando l'induzione di più lacune e aumentando così un guadagno elevato25. Nel 2018, come materiale che assorbe la luce è stato utilizzato il fosforo nero (BP) con una banda proibita diretta di 0,3 eV. Alle lunghezze d'onda di 655 nm, 785 nm e 980 nm, sono state ottenute rispettivamente le risposte di 55,75 A/W, 1,82 A/W e 0,66 A/W. Gli elettroni eccitati sono intrappolati nei livelli trappola e le lacune passano attraverso lo strato di grafene grazie al potenziale interno tra grafene e BP. La durata dei trasportatori aumenta con le trappole. A causa dell'elevata mobilità del grafene, le lacune possono fluire nel circuito prima di ricombinarsi con gli elettroni. La struttura introdotta funziona nelle regioni dal visibile al vicino infrarosso basandosi sull'effetto photogating22. Nel 2018, nanoparticelle di Ti2O3 con un gap di banda di 0,09 eV sono state utilizzate per fabbricare un rilevatore nello spettro del medio infrarosso. Il meccanismo è lo stesso di prima. Questo rilevatore aveva una reattività di 300 A/W per una lunghezza d'onda di 10 μm28. Nel 2018, l'effetto photogating nei fotorilevatori di grafene è stato studiato utilizzando il substrato SiO2/Si drogato con n. Alle lunghezze d'onda di 450 nm e 1064 nm, le responsività erano rispettivamente di 500 A/W e 4 A/W. La curvatura della banda all’interfaccia Si/SiO2 separa le coppie elettrone-lacuna. Sotto il campo elettrico, gli elettroni si muovono verso il Si mentre le lacune rimangono intrappolate nell'interfaccia Si/SiO2; l'accumulo di buchi nell'interfaccia Si/Si2 agisce come un cancello positivo e aumenta il livello di Fermi del grafene. Ciò fa sì che il grafene diventi di tipo n24. Nel 2018, un transistor al grafene è stato fabbricato con un substrato di antimoniuro di indio (InSb). È stata ottenuta una reattività di 33,8 A/W con un effetto photogating a una lunghezza d'onda di 4,6 μm29. Negli ultimi anni sono stati presentati diversi fotorivelatori con strati assorbenti di TiO2 e Nb2O5 nella regione UVA30. Nel 2011 è stata proposta una nanocintura Nb2O5 e a 1 V è stata ottenuta una reattività di 15,2 A/W31. Nel 2015, è stato fabbricato un fotorilevatore di nanopiastre Nb2O5 con una reattività di 24,7 A/W a 1 V32. Nel 2021 è stato fabbricato un fotorilevatore a nanofili MAPbI3 ed è stata segnalata una reattività di 20,56 A/W a 1 V33. Nel 2023, è stata presentata un'eterogiunzione di tipo II di fibra ibrida di nanoparticelle TiO2 NTs/Cs3Cu2I5 con una reattività di 26,9 mA/W a -1 V34. L'effetto photogating può essere studiato in tre diverse strutture, vale a dire strutture a punti quantici10, bulk23,24,25 e a film sottile8. I punti quantici possono essere integrati in materiali bidimensionali per ottenere alcuni vantaggi. Come primo vantaggio, i punti quantici con spessore maggiore risolvono il problema del basso assorbimento ottico dei materiali bidimensionali. Il secondo vantaggio è che i materiali bidimensionali hanno un’elevata mobilità dei portatori, mentre il terzo vantaggio è che alcuni materiali bidimensionali non hanno un ampio spettro di assorbimento mentre i punti quantici compensano questa reattività limitata. Per un materiale bidimensionale come il grafene, non esiste un meccanismo per produrre più portatori da un fotone. Utilizzando i punti quantici, nel circuito può fluire un gran numero di fori e, di conseguenza, il guadagno aumenta. Questo perché la vita degli elettroni intrappolati è lunga e la mobilità dei trasportatori nel grafene è elevata. Uno degli svantaggi dei punti quantici è la loro tossicità. Inoltre, le dimensioni dei punti quantici modificano la larghezza di banda dei materiali utilizzati. Nei rivelatori bulk, a causa dei difetti tra SiO2 e Si leggermente drogato, gli elettroni si accumulano nelle trappole e creano una tensione di gate negativa, provocando l'induzione di più lacune e aumentando così il guadagno. In altre parole, la curvatura della banda all’interfaccia Si/SiO2 separa le coppie elettrone-lacuna. Sotto il campo interno, gli elettroni si muovono verso il substrato di Si mentre le lacune sono intrappolate nell'interfaccia Si/SiO2, e l'accumulo di lacune nell'interfaccia Si/SiO2 agisce come un cancello positivo e aumenta il livello di Fermi di grafene. Di conseguenza, il grafene viene convertito in grafene di tipo n. Non viene utilizzato un substrato di silicio altamente drogato poiché presenta portatori aggiuntivi con una durata molto più breve. L'applicazione della struttura sfusa è limitata ai materiali ad alta energia e ai raggi X23,24,25.