用于紫外(UV)光电探测器的铋铁氧体(BFO)厚度依赖特性研究gydF4y2Ba

本文报道了用铁酸铋(BiFeO)制备紫外探测器的研究工作gydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba具有不同厚度的BFO)薄膜。采用喷雾热解技术，在673 K温度下在玻璃基板上沉积了BFO薄膜。用拉曼光谱和红外光谱对沉积的BFO薄膜进行了表征。形态分析表明，制备的BFO样品晶粒分布均匀。光学分析表明，随着BFO薄膜厚度的增加，透射率值减小，计算出的光学带隙值在2.0 ~ 2.3 eV之间。在ITO和Al电极之间叠加不同厚度的BFO有源层，研究了制备的ITO/BFO/Al器件在黑暗和紫外(λ = 365 nm)光照下的电流-电压(I-V)特性。结果表明，最佳厚度(365 nm)的BFO具有较高的光响应率(110 mA/W)，外量子效率(EQE)为37.30%。研究了不同厚度的BFO活性层对吸附和解吸氧(OgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)分子对BFO层表面的紫外光响应特性进行了研究。gydF4y2Ba

光电探测器是一种将光能转换为电能的光电装置，在光通信方面有潜在的应用[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，光谱仪器[gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]，防御行动[gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba]，探测移动物体[gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]，以及在生物领域[gydF4y2Ba5gydF4y2Ba］．高效的光电探测器可以根据更高的光响应率、大的开/关比和低的工作电压来分类[gydF4y2Ba6gydF4y2Ba］．商用硅(Si)基光电二极管具有探测可见光的潜力。然而，这类硅基光电二极管具有对紫外线敏感度低和制造过程中涉及的生产成本高等缺点[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba］．宽带隙半导体，如ZnO [gydF4y2Ba9gydF4y2Ba], NiO [gydF4y2Ba10gydF4y2Ba], TiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba［gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]基光电探测器在紫外光探测应用方面得到了广泛的研究。最近的研究包括铁电材料的研究，如BaTiOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba［gydF4y2Ba12gydF4y2Ba), BiFeOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba［gydF4y2Ba13gydF4y2Ba), BigydF4y2Ba_0.8gydF4y2Ba公关gydF4y2Ba_0.2gydF4y2BaFeO说gydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba［gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]和Bi(铁、锰)OgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba［gydF4y2Ba15gydF4y2Ba]以制造紫外线光电探测器[gydF4y2Ba16gydF4y2Ba］．在这种铁电材料中，内部电场的存在阻止了电子-空穴(e-h)对之间的复合过程，并促进了载流子的分离[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba］．在各种铁电材料中，铋铁氧体(BiFeOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba， BFO)对光子器件的制造引起了浓厚的兴趣[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba］．BFO具有钙钛矿菱面体结构，能隙(EgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba)，具有较大的吸收系数和较高的剩余极化[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba］．通过各种物理方法，如射频溅射，已经成功地报道了高质量BFO薄膜在器件应用中的实现[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]，脉冲气相沉积(PLD) [gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]，分子蒸汽外延(MBE) [gydF4y2Ba21gydF4y2Ba］．然而，使用非真空化学路线沉积BFO薄膜由于其独特的优势，如低成本和大面积的器件加工，尤其令人感兴趣[gydF4y2Ba22gydF4y2Ba］．gydF4y2Ba

在本研究工作中，采用喷雾热解技术在预先清洗的ITO镀膜玻璃基板上沉积了不同厚度的BFO薄膜。分析了BFO薄膜厚度对薄膜结构、形貌和光学性能的影响。研究了在暗光和紫外光照射下的电流电压(I-V)特性。研究了氧气分子的吸附和解吸对合成的bfo基紫外探测器光响应开关行为的影响。gydF4y2Ba

材料gydF4y2Ba

五水硝酸铋(BigydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba）gydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba．5 hgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO，默克，99%)，非水合硝酸铁(Fe (NOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba)3．9小时gydF4y2Ba_2gydF4y2BaO，默克，99%)和柠檬酸(CgydF4y2Ba_6gydF4y2BaHgydF4y2Ba_8gydF4y2BaOgydF4y2Ba_7gydF4y2Ba，纯度≥99.5%)作为前驱体来源。硝酸(HNOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba)和去离子水作为溶剂。gydF4y2Ba

铋铁氧体(BFO)薄膜的沉积gydF4y2Ba

为了制备铁酸铋(BFO)薄膜，0.33 M等摩尔浓度的五水合硝酸铋(Bi(NOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba）gydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba．5 hgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)和非水合硝酸铁(Fe(NOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba）gydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba．9小时gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba将O)单独溶解在30 ml去离子水中，室温下连续搅拌1 hgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba)滴入制备的(Bi (NOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba）gydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba．5 hgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)基溶液搅拌15 min，最后加入0.33 M柠檬酸作为螯合剂，搅拌30 min。将制备好的均相溶液通过喷雾热解法制备BFO薄膜。用清洁剂和去离子水清洗玻璃基板。此外，使用异丙醇(IPA)和HNO的混合物进行30分钟的超声波清洗gydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba解决方案。在BFO薄膜沉积前，对清洗过的玻璃基板进行423 K的预热。基片温度保持在673 K，固定气压为2毫巴。溶液流速为5 ml mingydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}喷嘴-基底距离固定为15 cm。制备的BFO薄膜在常温下623 K退火1 h。为了研究不同厚度的BFO薄膜对器件性能的影响，在喷涂时前驱体溶液的体积分别为10、15和20 ml，样品分别编号为BFO(10)、BFO(15)和BFO(20)。沉积的BFO薄膜使用Stylus profilometer (DEKTAK XT Stylus Profiler- Bruker, USA)测量厚度，BFO(10)、BFO(15)和BFO(20)的测量值分别为243±7、365±15和660±12 nm。利用BRUKER RFS 27:独立FT-Raman光谱仪对BFO薄膜样品的结构进行了拉曼光谱研究。采用高分辨率场发射电子显微镜(FEI Quanta FEG 200-High)对BFO薄膜样品进行表面形貌分析。采用IR示踪- 100- shimadzu对薄膜样品进行了傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析，并采用紫外可见分光光度计(Thermo scientific Evolution 201)对其光学性质进行了分析。gydF4y2Ba

设备制造gydF4y2Ba

为了制备基于bfo的紫外探测器器件，采用r.f磁控溅射法将氧化铟锡(ITO)沉积在超声清洗的2.5 cm × 2.5 cm玻璃基板上。在溅射技术中使用商业购买的ITO靶(纯度99.9%，2英寸，Able靶，中国)。高透明导电ITO薄膜(90 Ώ/cm)被用作该器件的背电极。在673 K温度下，用喷雾热解法在ITO层上沉积了不同厚度(243、365和660)的BFO。采用电子束蒸发(EBE)方法沉积了铝(Al)作为顶部电极。数字gydF4y2Ba1gydF4y2Ba所制备的器件结构(ITO/BFO/Al)示意图。采用Agilent B2901A源测量单元(SMU)，扫描速率为0.06 V/ms，测量了所提出的ITO/BFO/Al器件在黑暗和紫外照明下的电流-电压(I-V)特性。紫外线光源是商业购买的单色紫外线灯(波长ƛ = 365 nm，功率= 4 mW/cmgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba)．制作的ITO/BFO/Al光电探测器和用于研究感光特性的实验装置的照片作为补充信息(见附加文件)。gydF4y2Ba

拉曼光谱分析gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba2gydF4y2Ba(a) BFO(10)和(b) BFO(15)的拉曼光谱分析。BFO材料的空间群为R3c，群论预测BFO应该有13个拉曼活动声子模，概括为Ѓ = 4A1 + 9E;一个gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba和E表示菱面体畸变结构的对称性[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba］．在本研究中，四个光学横向AgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba记录了对称[A1(TO)]和六个光学横向E对称[E(TO)]声子模。拉曼模位分别为122、171、221和432 cmgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}可以分配为AgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba1,一个gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba2,gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba3,gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba4模式分别。其他六种模态分别位于77.6 cm、113 cm、278 cm、348 cm、485 cm和560 cmgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}可分别编号为E-1、E-2、E-4、E-5、E-7和E-8。低频模对应于铋(Bi)和氧(O)gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)振动，高频模态对应Fe-O振动[gydF4y2Ba24gydF4y2Ba］．在160 ~ 365 cm范围内观察到拉曼有源模gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}与Fe和O的原子运动有关gydF4y2Ba_2gydF4y2BaFeO中的分子gydF4y2Ba_6gydF4y2BaBFO的八面体[gydF4y2Ba25gydF4y2Ba］．在500厘米以上识别的拉曼有源模gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}都归因于氧原子的拉伸振动[gydF4y2Ba26gydF4y2Ba，gydF4y2Ba27gydF4y2Ba，gydF4y2Ba28gydF4y2Ba］．gydF4y2Ba

红外光谱分析gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba显示了BFO(10)和BFO(15)的FTIR光谱。观测到的条带位于646 cm处gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}和828厘米gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}是由于Bi-O和Fe-O基团的重叠[gydF4y2Ba29gydF4y2Ba］．这些带是由于FeO的八面体单元内Fe-O键的弯曲振动gydF4y2Ba_6gydF4y2Ba和生物gydF4y2Ba_6gydF4y2Ba组(gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba］．特征峰位于506厘米处gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}与FeO - Fe-O键的拉伸和Fe-O弯曲有关gydF4y2Ba_6gydF4y2Ba集团(gydF4y2Ba31gydF4y2Ba］．gydF4y2Ba

形态分析gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba4gydF4y2Baa-c为BFO(10)、BFO(15)和BFO(20)薄膜的场发射电子显微镜(FESEM)形态分析。结果表明，随着BFO薄膜厚度的增加，其形貌更加均匀，孔洞更少。对于较厚(~ 660 nm)的BFO(20)薄膜，位错密度和层错的概率增加，因此BFO(20)薄膜中的应力增加[gydF4y2Ba32gydF4y2Ba］．如图所示，BFO(20)的晶粒尺寸明显减小。gydF4y2Ba4gydF4y2Bac。gydF4y2Ba

光学性质gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba5gydF4y2Baa显示了BFO(10)、BFO(15)和BFO(20)薄膜在350 - 1800nm波长范围内的光学透过光谱。所有制备的BFO薄膜在可见光区平均透过率在25 ~ 60%之间。通过外推图所示tauc图的线性部分，确定了BFO薄膜的能带隙能。gydF4y2Ba5gydF4y2Bab.计算得到的光带隙能值分别为:BFO (10) 2.3 eV、BFO (15) 2.2 eV和BFO (20) 2.1 eV。随着BFO薄膜厚度的增加，所观察到的带隙值的减小可能是由于样品晶粒尺寸的增加，也可能是由于薄膜结晶度的增加[gydF4y2Ba33gydF4y2Ba，gydF4y2Ba34gydF4y2Ba］．gydF4y2Ba

电流-电压(I-V)和光响应开关特性gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba6gydF4y2Ba结果表明，制备的(a) ITO/BFO(10)/Al， (b) ITO/BFO(15)/Al和(c) ITO/BFO(20)/Al基光电探测器在黑暗和紫外线照射下的电流-电压(I-V)特性。所制备的紫外光电探测器的I-V特性表现为线性欧姆行为[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba］．决定紫外探测器性能的重要参数包括光响应率(R)和外部量子效率(EQE)，并使用以下公式计算。（gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)和(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)分别gydF4y2Ba35gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

我在哪里gydF4y2Ba_{紫外线gydF4y2Ba}和我gydF4y2Ba_{黑暗gydF4y2Ba}表示在紫外线照射和黑暗条件下测量的电流值和gydF4y2Ba\ ({\ mathrm {P}} _ {\ mathrm{公司}}\)gydF4y2Ba表示入射紫外线光源的功率(4 mW/cm)gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

表格gydF4y2Ba1gydF4y2Ba揭示了ITO/BFO(10)/Al、ITO/BFO(15)/Al和ITO/BFO(20)/Al基光电探测器的紫外光响应特性。在所制备的器件中获得的光响应特性的变化表明，有源层的厚度是实现高效光子器件的重要参数之一[gydF4y2Ba36gydF4y2Ba］．其中，ITO/BFO(15)/Al光电探测器的最佳厚度为BFO(365 nm)，其光响应率(R)达到110 mA/W，外量子效率(EQE)达到37.30%。在活性层较厚的BFO (~ 20 ml)处获得较低的光响应特性的原因是由于入射紫外光子穿透深度的限制[gydF4y2Ba37gydF4y2Ba］．据报道，紫外光子主要与活性层表面相互作用，以获得最佳穿透深度(~ 300 nm)，如此薄的活性层表面有助于光导机制[gydF4y2Ba38gydF4y2Ba］．此外，具有较厚的有源层的光电探测器会形成一个小的损耗区，这倾向于捕获较少的入射光子。因此，ITO/BFO(20)/Al光电探测器具有较厚的活性层，具有较低的光响应特性。另一方面，ITO/BFO(10)/Al光电探测器获得的较低的光响应特性可能是由于在BFO(10)有源层中形成了较低的内电场[gydF4y2Ba39gydF4y2Ba］．数字gydF4y2Ba7gydF4y2Ba研究了(a) ITO/BFO(10)/Al， (b) ITO/BFO(15)/Al和(c) ITO/BFO(20)/Al基器件在3 V偏置电压下(λ = 365 nm， λ = 4 mW/cm)的光响应开关特性gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba)．当bfo基光电探测器暴露在紫外光下时，光电流急剧上升，当光关闭时，光电流稳定地下降到原始水平。当光照射在基于BFO的光电探测器上时，电子空穴(e-h)对产生，这些光产生的载流子向相反的电极移动，以贡献外部光电流。ITO/BFO(15)/Al光电探测器的上升时间和恢复时间分别为6 s和17 s。数字gydF4y2Ba8gydF4y2Ba研究了ITO/BFO/Al光电探测器在暗光和紫外光照射下基于氧吸附和解吸过程的工作机理。在黑暗条件下，氧气分子通过捕获BFO薄膜表面的自由电子而被吸附，并在BFO薄膜表面附近形成一个损耗层。损耗区的形成显著降低了BFO层的导电性。当紫外光照射ITO/BFO/Al光电探测器时，在E条件下产生电子-空穴对(E - h)gydF4y2Ba_{高压gydF4y2Ba}> EgydF4y2Ba_{拍频振荡器gydF4y2Ba}．这种光生的电荷载流子被外部偏压驱动进入电场路径并中和吸附的氧气。在UV光照条件下，损耗层的宽度会减小，BFO薄表面的导电性会增加[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba，gydF4y2Ba29gydF4y2Ba，gydF4y2Ba40gydF4y2Ba，gydF4y2Ba41gydF4y2Ba，gydF4y2Ba42gydF4y2Ba］．但是，可以观察到ITO/BFO/Al光电探测器所获得的光响应特性并不是一个稳态状态。这种具有不饱和响应的光电流值的指数增长/下降被称为持续光导效应[gydF4y2Ba43gydF4y2Ba］．这种效应发生在OgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba除了在制备的光电探测器的紫外线照射下进行解吸过程外，还会发生分子。因此，在紫外线照射条件下，电子空穴对的产生和氧的同时再吸附过程导致了不饱和光响应特性[gydF4y2Ba46gydF4y2Ba，gydF4y2Ba47gydF4y2Ba］．同样，在黑暗条件下，较慢的再吸附速率导致不饱和恢复时间延长[gydF4y2Ba43gydF4y2Ba，gydF4y2Ba44gydF4y2Ba］．本文分析了氧在紫外光和暗光下的吸附和解吸过程对ITO/BFO/Al光电探测器光导机理的影响。表格gydF4y2Ba2gydF4y2Ba展示了制备的ITO/BFO/Al光电探测器的紫外光响应特性，并与早期研究的BFO基紫外探测器进行了比较。gydF4y2Ba

分析关联了BFO活性层厚度对实现高效紫外光电探测器的作用。采用喷雾热解技术制备了不同厚度的BFO薄膜，并通过拉曼光谱、红外光谱等对薄膜进行了表征。对其进行了形态学和光学分析。在Al和ITO电极之间叠加BFO有源层，分析了制备的ITO/BFO/Al在黑暗和紫外(λ = 365 nm)光照下的电流-电压(I-V)特性。I-V分析表明，最佳厚度(365 nm)的BFO具有较高的光响应率(110 mA/W)，外量子效率(EQE)为37.30%。基于BFO(15)的器件具有快速的光响应特性，上升时间为6 s，衰减时间为17 s。gydF4y2Ba

由于本院的伦理问题，作者不愿意提交原始数据。然而，在审查过程中，如果编辑/审查人员需要验证原始数据，则可以共享原始数据。gydF4y2Ba

R. Amiruddin希望承认新月种子基金的奖励(有限责任公司编号:1239/院长(R)/2019)和Shahnaz Kossar希望感谢由B.S. Abdur Rahman新月科学技术学院(BSACIST)提供的学院奖学金，位于印度泰米尔纳德邦金奈-600048。作者希望向位于印度泰米尔纳德邦金奈-600048的B.S. Abdur Rahman新月科学技术学院(BSACIST)提供的研究所奖学金表示感谢gydF4y2Ba

不适用。没有收到资金。gydF4y2Ba

作者和联系gydF4y2Ba

1. 阿卜杜拉赫曼新月科学技术学院物理系，印度金奈600048gydF4y2Ba

   Shahnaz Kossar, R. Amiruddin & Asif RasoolgydF4y2Ba

贡献gydF4y2Ba

所有作者贡献相同。gydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2Bar . AmiruddingydF4y2Ba．gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

作者声明他们没有竞争利益”。gydF4y2Ba

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