Amorfinis poveikis skatinant plataus diapazono absorbciją ir struktūrinių fazių perėjimą γ-in2se3 polikristaliniuose sluoksniuose | mokslinės ataskaitos

Amorfinis poveikis skatinant plataus diapazono absorbciją ir struktūrinių fazių perėjimą γ-in2se3 polikristaliniuose sluoksniuose | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Taikomoji fizika
  • Puslaidininkiai

Anotacija

Medžiagų tyrime labai svarbu išnaudoti galimas medžiagų funkcijas. Šiame tyrime mes pademonstravome III-VI chalkogenidą, polikristalinį γ-In 2 Se 3, kuris tuo pat metu pasižymi nuo storio priklausančių optinių spragų galimybėmis, o polikristaliniuose γ-In 2 Se 3 sluoksniuose egzistuoja plataus energijos diapazono absorbcija. . Perdavimo elektronų mikroskopija ir Ramano matavimas parodo daugybę γ fazės nanokristalų, esančių netvarkingoje ir polikristalinėje chalkogenido būsenoje vidutinio nuotolio tvarka (MRO). MRO poveikis γ-In 2 Se 3 sluoksniams rodo nuo storio priklausomą absorbcijos briaunos poslinkį ir storio priklausomą varžą. Amorfinis MRO poveikis taip pat lemia γ → α struktūrinės fazės perėjimą, vykstantį γ-In 2 Se 3 sluoksnio viduje, termiškai apdorojant maždaug 700 ° C. Įvairių storio γ-In 2 Se 3 sluoksnių foto įtampos srovės (foto VI) matavimai siūlo plataus energijos diapazono fotoelektrinį konversijos bloką nuo matomo iki ultravioletinio (UV) gali būti pasiektas sudedant γ-In 2 Se 3 sluoksniai laiptų pavidalu, turintys skirtingus optinius tarpus.

Įvadas

Nanokristalai, esantys polikristalinėje kietoje medžiagoje, kurio grūdelių dydis yra nanometrų diapazone, sulaukė daug dėmesio, nes nanokristalų ir amorfinių būsenų santykis 1, 2 . Šis poveikis paprastai pasireiškia netvarkingų ir polikristalinių medžiagų absorbcijos briaunų pokyčiais ar optoelektroninių savybių pokyčiais. 2, 3, 4 . Amorfinis efektas, susijęs su polikristalų nanokristalinėmis, netvarkingomis ir sąsajinėmis būsenomis, gali stumti amorfinę medžiagą, turinčią daugybę potencialių funkcijų gaminti optinius, duomenų saugojimo, energijos ir optoelektronikos prietaisus.

2 Se 3 yra svarbus III-VI junginys, turintis mažiausiai penkias α, β, γ, δ ir κ 5, 6, 7 kristalų modifikacijas. Jis tinkamas naudoti saulės elementų medžiagoje 8, nanostruktūrinėje fazių kaitos atmintyje 9 ir plataus energijos diapazono fotodetektoriuose 10, 11, 12 . Įvairios kristalų fazės ir įvairūs „In 2 Se 3“ pritaikymai gali būti priskiriami In III ir Se VI atomų netinkamumui indžio chalkogenide sudarant įvairias kristalines ir amorfines būsenas 13, taip pat įvairias kristalų fazes ir grotelių formas 14, 15. . Α-fazė, esanti 2 Se 3, priklauso šešiakampio sluoksnio struktūrai (E g ~ 1, 45 eV) 12, o γ fazė - sugedusia wurtzite struktūra (E g ~ 2 eV) 14 . Α ir γ fazės yra dvi stabiliausios In 2 Se 3 fazės, stabilizuotos kambario temperatūroje. Skirtingai nei kiti III-V ir IV grupės junginiai, turi stipriausią kovalentinį ryšį, nenuoseklumas ir silpnesnis jungčių stiprumas tarp III ir VI elementų leidžia 2 Se 3 pasireikšti amorfinei (netvarkingai ir polikristalinei) būsenai ir pateikti fazės perėjimas (pokytis) chalkogenido junginyje lengvai. Pavyzdžiui, γ − 2 Se 3 stiklinės būsenos ploną plėvelę buvo lengva auginti ant substratų, kuriuos galima pakeisti būsenai (amorfinė ↔ kristalinė toje pačioje γ fazėje) naudoti 4, 13 . Tačiau manoma, kad amorfinis γ- 2 Se 3 gali turėti fazinio perėjimo pobūdį (pvz., Γ į α), kurį galima atlikti optinės atminties diske su ilgalaikiu duomenų rezervavimu. Nepaisant γ − 2 Se 3 taikymo, eksperimentinis amorfinio γ − 2 2 3 optinių, elektrinių ir struktūrinių savybių tyrimas vis dar yra gana retas. Amorfinio γ-In 2 Se 3 optinių savybių supratimas turėtų būti labai svarbus. Svarbu įstumti šią chalkogenido medžiagą į ilgalaikio saugojimo optinę atmintį ir kaskadinius plataus energijos diapazono saulės elementus.

Šiame darbe mes pranešame, kad γ − 2 Se 3 sluoksniai (pasižymintys vidutinio nuotolio tvarka ir nanokristalinėmis būsenomis) turi keletą specifinių charakteristikų: nuo storio priklausomos absorbcijos ir kraštų poslinkio, nuo storio priklausomos varžos, plataus energijos diapazono optinės absorbcijos. esant ultravioletinių spindulių (UV) diapazonui, taip pat γ ir α fazių perėjimas termiškai apdorojant. Sluoksnio tipo γ- 2 Se 3 polikristaluose buvo auginami cheminio garų pernešimo metodu, naudojant transportavimo agentą ICl 3 . Padidėjusio lygio kristalų spalvos skiriasi nuo tamsiai raudonos, raudonos, oranžinės iki šviesiai geltonos, nes kristalų storis skiriasi. Nuo storio priklausantys optiniai tarpai γ- 2 Se 3 sluoksniuose buvo įvertinti termoreflektanto (TR) matavimais. Nustatyta, kad optinio juostos spragos pokytis γ- 2 Se 3 sluoksniuotuose mėginiuose yra nuo 2, 52 eV (6 μm) iki maždaug 2, 08 eV (290 μm), o tai gerai atitinka išaugusių kristalų spalvos pokyčius. Nuo storio priklausantys optiniai tarpai taip pat sukelia skirtingo storio mėginių atsparumo kitimą. „Photo VI“ matavimo rezultatai (ty naudojant baltą šviesos diodą ir halogeninę lempą) rodo amorfinės γ- 2 laiptų išdėstymo struktūrą 2 Se 3 sluoksniuose su skirtingais storiais (optiniais tarpais). Tai gali skatinti plataus diapazono optinę absorbciją nuo matomosios iki UV srities. Atkaitinto γ-In 2 Se 3 sluoksnio Ramano ir TR rezultatai rodo, kad In 2 Se 3 struktūrinės fazės perėjimas iš γ į α fazę gali vykti 700 ° C temperatūroje termiškai apdorojant vamzdelio krosnyje. Lazerio indukuotas struktūros pokytis (nuo γ iki α), naudojant 405 nm lazerį, taip pat buvo atliktas fazės perėjimui patikrinti. Fazinis perėjimo pobūdis daro γ-In 2 Se 3 potencialia medžiaga, naudojama ilgalaikio saugojimo optinės atminties diske.

Rezultatai

Kristalų morfologija ir kristališkumas

1 pav. (A) kairėje pusėje pavaizduota išaugusio γ-In 2 Se 3 kristalo kristalų morfologija ir kristalų spalva (žr. Intarpą) ir atitinkamo skenavimo elektroninio mikroskopo (SEM) vaizdas. Mėginio kristalų storis yra maždaug 200 μm, o kristalo spalva yra skaidri raudona. Be to, padidinant SEM paveikslėlį išryškėja išaugusios „In 2 Se 3“ kamino sluoksnio struktūra. SEM vaizdo įrodymai rodo, kad sugedusi γ-In 2 Se 3 kristalų wurtzite struktūra taip pat rodo sluoksniuotą kontūrą, panašų į α-In 2 Se 3 10 . Sluoksniuoto γ-In 2 Se 3 lengvai formuojamas paviršius gali būti c plokštuma. Dešinėje 1 pav. (A) pusėje pateiktas padidintos skiriamosios gebos elektroninio mikroskopo (TEM) vaizdas, išaugęs 2 Se 3 sluoksnio tipo kristaluose. TEM vaizdas rodo šiek tiek nanokristalines būsenas (pažymėtas geltonai brūkšniniais daugiakampiais: „C“) ir keletą amorfinių ir netvarkingų būsenų (žymimų šviesiai žalia spalva: „A“), kaip parodyta 1 pav. (A) dešinėje. Išaugusios 2 Se 3 kristališkumas turėjo šiek tiek polikristalinių ir netvarkingų būsenų (ty amorfinės maždaug vidutinio diapazono tvarka). TEM vaizde rodomų nanokristalitų, esančių 2 Se 3, dydžiai buvo nuo maždaug 1 nm iki didesnių nei 10 nm. Remiantis TEM vaizdu, vidutinis tarpdančio atstumas tarp dviejų artimiausių kaimynų nanokristalinėje srityje [žr. 1 pav. (A)] buvo maždaug 2, 38 Å. Γ-fazė 2 Se 3 yra sugedusi wurtzite struktūra, kurios struktūrinės laisvos vietos yra sutvarkytos varžto pavidalu ir apsuptos išilgai c ašies 14, 15 . Sutvirtintos defektinės wurtzite struktūros pavidalu, trečdalis katijonų vietų (ty In) liko laisvos, kad būtų įvykdyta sp 3 hibridizacijos okteto taisyklė In 2 Se 3 junginyje. Tai reiškia, kad γ-In 2 Se 3, parodytų 1 pav. (A), a ir b gardelių konstantos buvo a = b = 7, 14 Å (ty, 2, 38 × 3 Å). Sluoksniuotos γ-In 2 Se 3 c plokštumos rentgeno spinduliuotės difrakcijos schema (nerodyta) taip pat rodo γ-In 2 Se 3 c ≈ 19, 36 Å gardelės konstantą, panašią į α-In 2 Se 3 10 . Eksperimentiniai SEM ir rentgeno rezultatai patvirtino, kad išaugę spalvoti kristalai yra γ-fazės 2 Se 3 . Sluoksniuotos medžiagos kristalų viduje buvo šiek tiek netvarkinga ir nanokristalinė būsena (vidutinio nuotolio tvarka).

Image

a) γ-In 2 Se 3 SEM ir TEM vaizdai. Užauginto 2 Se 3 kristalo kristalų morfologija ir kristalų spalva parodyta įdėkle. SEM vaizdas patikrina γ-In 2 Se 3 sudėjimo sluoksnio struktūrą, o TEM vaizdas rodo γ-In 2 Se 3 nanokristalines ir netvarkingas būsenas (amorfines). (b) sluoksniuoto γ-In 2 Se 3 Ramano spektras kambario temperatūroje.

Visas dydis

1 pav. (B) parodytas c plokštumos sluoksniuotos γ-In 2 Se 3 Ramano spektras nuo 100 iki 350 cm −1 . Ramano spektras pasižymi keliomis išplėstinėmis vibracijos režimų smailių savybėmis (nerodančiomis aštrių ir siaurų), kurias sukelia sluoksniuotasis γ-In 2 Se 3, paprastai būdamas polikristaline ir vidutinio nuotolio rikiavimo būsena, kaip matyti iš TEM vaizdo iš 1 pav. (a). Nors sluoksniuotuose γ-In 2 Se 3 yra ir nanokristalitų (kurių dydis didesnis nei 10 nm), ir netvarkingų būsenų, ryšių kampo sutrikimas ir netvarkingų būsenų deformacija daro didesnį Ramano intensyvumo pobūdį išplėstoms savybėms nei kiti. nanokristalitai su siauru linijų pločiu. Kaip parodyta 1 pav. (B) apatinėje dalyje, galima analizuoti Raman spektro Lorentzianus, kad būtų atskleisti keturi smailių bruožai, esantys 125 ± 5, 150 ± 5, 183 ± 4 ir 228 ± 5 cm −1. skirtas In 2 Se 3 . Režimai yra preliminariai priskirti ir nurodo anksčiau pateiktus duomenis. Energijos sritis žemiau 115 cm −1 yra sistemos aptikimo riba, kurioje greitai sumažėja Ramano spektrai. Išsiplėtusios 125 ± 5 ir 228 ± 5 cm −1 režimų smailės buvo pastebėtos amorfinėje 40 Se 60 plonoje plėvelėje, nusodintoje ant stiklo pagrindo. Du režimai yra glaudžiai susiję su „In 2 Se 3 16“ γ faze, o 150 cm – 1 bruožas yra susijęs su „γ-In 2 Se 3“ kristalo 17 zonos centro režimu. Kita 183 ± 4 cm −1 smailė buvo nustatyta kaip būdingas γ-In 2 Se 3 18, 19 režimas. Dėl struktūrinių sutrikimų, tokių kaip „InSe 2“, esant 150 cm −1 17, iš „In 2 Se 3“ galima įtraukti kai kuriuos režimus iš vietinių struktūrų. Tačiau atitinkamos smailės savybės yra per plačios, kad būtų galima atskirti dėl amorfinės būklės In 2 Se 3 . 1 pav. (B) sluoksniuotos plokštumos Ramano rezultatas maždaug patvirtina ir palaiko hipotezę, kad išaugę 2 Se 3 sluoksniai yra γ fazės kristalai, pasižymintys amorfine būsena.

Nuo storio priklausančios optinės spragos ir nuo storio priklausanti varža

2 pav. (A) pavaizduoti γ-In 2 Se 3 nuo storio priklausomi TR spektrai, kurių įvairus storis yra nuo maždaug 6 μm iki 290 μm kambario temperatūroje. Kiekvieno mėginio kristalų storis buvo įvertintas naudojant SEM vaizdo skerspjūvį. Dešiniajame 2 pav. (A) įdėkle pateikiami tipiniai SEM atvaizdai, apskaičiuoti įvertinus 30 ir 125 μm storio pavyzdžius. Anksčiau buvo įrodyta, kad TR matavimas yra galingas įrankis puslaidininkių tiesioginiam juostos perėjimui įvertinti 20 . Pereinamojo elemento išvestinės linijos forma padidina galimybę nustatyti tikslią tiesioginio perėjimo puslaidininkiuose energijos vietą. Kaip parodyta 2 pav. (A), punktyrinės linijos yra eksperimentiniai TR spektrai, o kietosios linijos yra mažiausiai kvadrato formos, kad atitiktų išvestinę Lorentziano linijos formos funkciją, išreikštą 21, 22 :

Image

kur A ir φ yra linijos formos amplitudė ir fazė, ir

Image
ir Γ yra interbanto perėjimo energinis ir praplečiamasis parametras. M = 0, 5 reikšmė naudojama pirmajai išvestinės linijos formos analizei γ-In 2 Se 3 21 tiesioginiam juostos ir krašto perėjimui. Nustatyta, kad gautos γ-In 2 Se 3 tiesioginės juostos krašto pereinamosios energijos yra E g d = 2, 08 eV (290 μm), 2, 09 eV (212 μm), 2, 13 eV (125 μm), 2, 22 eV (68 μm)., 2, 31 eV (38 μm), 2, 33 eV (30 μm) ir 2, 52 eV (6 μm). Mažėjant mėginių storiui, γ-In 2 Se 3 tiesioginis optinis tarpas E gd parodo energijos mėlynosios poslinkio elgseną. Tokį elgesį patvirtino ir išaugusių kristalų spalvos nuo tamsiai raudonos iki šviesiai geltonos. Γ-In 2 Se 3 sluoksnių optinio tarpo kitimas nuo storio gali būti priskiriamas amorfiniam efektui kartu su nanokristalų kvantinio dydžio efektu, todėl šį elgesį galime aptarti vėliau. Taip pat buvo atlikti tamsiosios varžos matavimai, norint patikrinti nuo γ-In 2 Se 3 sluoksnių optinio tarpo pokyčius nuo storio. 2 pav. (B) parodyti tamsiųjų VI matavimai, naudojami kelių atrinktų 6, 68 ir 212 μm storio γ-In 2 Se 3 mėginių atsparumui nustatyti. Tipinė kristalų spalva skirtingo storio γ-In 2 Se 3 pavyzdyje taip pat parodyta 2 pav. (B) palyginimui. Tamsiosios VI matavimo konfigūracija pavaizduota 2 pav. (B) viršutinėje įterptoje dalyje. 6, 68 ir 212 μm storio mėginių eksperimentiniai rezultatai yra parodyti kietosiomis kvadratu, kietojo trikampio ir kieto apskritimo pav. 2 pav. (B). Kietos linijos žymi pasipriešinimo tikimybę. Paprastai dviejų sluoksnių puslaidininkių, kurių storis yra skirtingas (bet to paties ploto), dviejų bandinių išmatuotos varžos yra skirtingos, tačiau varža turėtų būti lygi. Tačiau remiantis VI paveikslo matavimais, parodytais 2 pav. (B), 6 μm storio ėminiui buvo išmatuotas aukštas ρ = 6, 63 × 10 8 Ω cm (žr. Apatinį intarpą) atsparumas ir mažiausias ρ atsparumas. 212 μm storio mėginiui buvo gauta = 2, 88 × 10 8 Ω cm. 68 μm storio mėginio varžos vertė buvo ρ = 3, 80 × 10 8 Ω-cm. Atsparumo γ-In 2 Se 3 vertė parodo storį, priklausomą nuo mažesnio varža, gauta tirštame bandinyje. Šis elgesys maždaug patvirtina juostos tarpo sumažėjimo atsiradimą storojoje imtyje. Bendrojo puslaidininkio varža gali būti išreikšta kaip
Image
Image
ir todėl
Image
puslaidininkiui (ty paprastam modeliui). Kur σ yra laidumas, μ n ir μ p yra puslaidininkio elektronų ir skylių mobilumai. Kadangi nuo γ-In 2 Se 3 optinio juostos krašto priklauso nuo storio, plonas pavyzdys gali turėti ekvivalentišką didesnį juostos tarpą, todėl turi mažesnį nešiklio tankį ir didesnį atsparumą kambario temperatūroje. Dėl tokio elgesio keičiant plėvelės storį, naudojant elektrinę atmintį, γ-In 2 Se 3 gali būti rezistorinės-loginės medžiagos.

Image

(a) γ-In 2 Se 3 sluoksnių kristalų nuo storio priklausomi TR spektrai. Šoninis SEM vaizdas palengvina mėginio storio įvertinimą. b) 6, 68 ir 212 μm storio mėginių tamsiosios varžos pagal VI matavimus. Palyginimui taip pat pridedamos tipiškos trijų pavyzdžių kristalų spalvos.

Visas dydis

Diskusija

Atsižvelgiant į skirtingo storio amorfo γ-In 2 Se 3 sluoksnių absorbcijos briaunų poslinkį, pagrindinės priežastys gali būti dėl tam tikro amorfinio efekto, defektų, nanometrinio kvantinio uždarumo 23 ir sluoksnio tipo kristalografijos 24 .

Amorfinis efektas, defektai, nanometrinio kvantinio uždarumo ir sluoksnio tipo kristalografija

Manoma, kad amorfiniam puslaidininkiui, turinčiam vidutinio nuotolio tvarką, tuštuma (pagal laisvas vietas), amorfinis poveikis (sutrikimas) ir vienmatis kvantinis uždarumas (ODQC) yra glaudžiai susiję su optinio tarpo, priklausančio nuo storio, pokyčiais. Plonos polikristalinio sluoksnio, turinčio prastą kristalizacijos kokybę, atveju γ-In 2 Se 3 juostos tarpo energija paprastai buvo didesnė nei vieno kristalo arba aukštos kokybės kristalinės plėvelės (pvz., E g ≈ 2 eV) 18, nes nanokristalų, turinčių ODQC efektą, kvantinės lokalizacijos buvimas. Vidinio sluoksnio plokštumai, jei nanokristalas (kurio dalelių dydis mažesnis kaip 10 nm) buvo apribotas ta dalimi, esančia x ašies ilgio Δx. Elektrono impulsas yra

Image

o kinetinės energijos prieaugis yra maždaug

Image
. Atsižvelgiant į optinio tarpo pokyčio storį, ribojimas gali būti svarstomas tik storio t kryptimi (ty c- ašis) su ODQC efektu, kurį apibūdina:
Image
kur
Image
yra sumažinta masė. Amorfiniam efektui, kaip parodyta 3 pav. (A) kairiajame šone, γ-In 2 Se 3 gali atsirasti lokalios laidumo juostos ir valentinės juostos, susidarančios dėl didelio tankio defektų, uodegos. Potencialūs netolygių ir nanokristalinių būsenų erdviniu pasiskirstymu 25 gali atsirasti deformacijos potencialas šalia juostos krašto, esančio amorfinėje medžiagoje, parodytoje 3 pav. (A) dešinėje pusėje, esant vienai sluoksniuotai γ-In 2 Se 3 plokštumai ( pvz., t = 6 μm). Pastebėta, kad amorfinio sluoksniuoto γ-In 2 Se 3 deformacijos potencialas atsiranda dėl grotelių deformacijos ir tai gali sukelti įtempimą nanokristaliniams grūdams. Dėl sukeltos deformacijos nanokristaliniai grūdai deformuojasi ir deformuojasi. Tai sumažins nanokristalų optinį atotrūkį, ypač storesniame pavyzdyje su sudedamuoju sluoksniu (ty padidėja deformacija didinant storį) 23 .

Image

a) Reprezentatyvios juostų susisukimo schemos ir galimi svyravimai, išsidėstę netvarkingų ir nanokristalinių γ-In 2 Se 3 būsenų erdviniame pasiskirstyme šalia juostos krašto. b) Tipinė storesnio (sudedant sluoksnius) γ-In 2 Se 3 mėginio, kurio E g d ~ 2 eV, schema. c) Atskiesto γ-In 2 Se 3 sluoksnio, galinčio praeiti pro aukštesnės energijos fotonus sluoksniuotosios plokštumos, schema (pvz., E g d ~ 2, 52 eV 6 μm storio bandiniui).

Visas dydis

Dėl amorfinio γ-In 2 Se 3 defekto efekto, tuštumos (laisvos vietos) frakcija paveikia optinį tarpą. Plonojo mėginio (ty t = 6 μm) laisvų darbo vietų frakcija yra labai su trūkumais ir atviras 2 Se 3 tinkle padidins jo optinį tarpą, nes vyrauja ODQC efektas 23 . Kaip ir tirštame pavyzdyje, tinklai yra kompaktiškesni, o tuštuma mažėja. Tai lemia lygiavertį didesnį kristališkumą ir padaro mažesnį optinį tarpą, pavyzdžiui, tūrinį kristalą. Be to, laikant sluoksnio tipo kristalografiją prie optinės juostos tarpo, laikoma, kad sluoksnio junginio optinė absorbcija skiriasi nuo kubinės sistemos absorbcijos, kai plokštumos yra lygiagrečios ir statmenos c ašiai. Sluoksniuotoje γ-In 2 Se 3 plokštumoje sistema yra panaši į į 2D panašią aplinką su stipriu kovalentu vidiniame sluoksnyje. Tačiau atskirų sluoksnių tarpusavio sąveika yra tik silpna van der Waals jungtis. Ši savybė taip pat gali turėti reikšmės sluoksnio kristalų optiniam tarpo pokyčiui, priklausančiam nuo storio, mikrolygio diapazone. Nustatyta, kad sluoksniuotų TlInS 2 kristalų energijos tarpas sumažėjo ΔE g ≈ 0, 078 eV, nes mėginio storis padidėjo nuo 27 iki 66 μm 24 . Kaip parodyta 3 pav. (B), tirštame γ-In 2 Se 3 mėginyje kristališkumas ir nanokristalų įtempimas būtų didesnis nei plonojo sluoksnio. Optinis tarpas sumažėja, palyginti su vieno kristalo, kurio E g d ~ 2 eV. Kai storas mėginys užsidega balta šviesa, pro γ-In 2 Se 3 mėginį gali patekti tik mažesnės energijos (raudonos ir artimos infraraudonosios spinduliuotės) fotonai. Tačiau plono sluoksnio mėginiui, kurio t = 6 μm, kaip parodyta 3 pav. (C), nanokristaluose su ODQC yra kelias, per kurį gali praeiti aukštesnės energijos fotonai (geltona ir žalia dalys). Taigi vidutinis plono γ-In 2 Se 3 mėginio optinis tarpas padidinamas iki maždaug 2, 52 eV, tai galima parodyti 2 pav. (A). Γ-In 2 Se 3 augimo kristalų metu greičiausiai skirtinguose sluoksniuotuose sluoksniuose sluoksniai turi skirtingą kriuzilitiškumą. Storojo γ-In 2 Se 3 mėginio kristališkumas turėtų būti vidutiniškai didesnis, taigi jis turėtų tipišką apatinį juostos tarpą, artimą 2 eV. Tokį elgesį taip pat patvirtins sumažėjęs storio pavyzdžių atsparumas, kaip matyti 2 pav. (B).

Balta šviesa „Photo VI“ nuosavybė

Norint dar labiau patikrinti nuo storio priklausomą absorbcijos briaunos poslinkį ir įvertinti fotoelektrinės γ-In 2 Se 3 konversijos savybes, buvo atlikti skirtingo storio γ-In 2 Se 3 fotolaidininkų foto VI matavimai. Fig. 4 (a) ir 4 (b) rodo „Photo VI“ ir „tamsiųjų VI“ matavimų rezultatus, gautus atitinkamai dviem storio pavyzdžiais: t = 68 μm ir t = 6 μm. Matavimo sąranka parodyta 4 pav. (A) apatiniame įdėkle. Buvo naudojami du baltos šviesos šaltiniai, sudaryti iš vieno balto LED ir vienos halogeninės lempos. Baltas šviesos diodas apima platų spektro diapazoną nuo matomo iki infraraudonojo (IR) su dviem kupros smailėmis, kurių centras yra maždaug 2, 81 eV ir 2, 26 eV [žr. 4 pav. (C)]. Halogeninė lempa rodo plačiajuosčio juodojo kūno spinduliuotę, kurios pagrindinė pakaušio smailė yra artima maždaug 1, 83 eV, o tai taip pat mažėja atsižvelgiant į IR diapazoną. Du halogeninės lempos ir baltos šviesos diodų baltos šviesos taškų modeliai rodo skirtingą spalvų temperatūrą, kaip parodyta 4 pav. (C). Baltos šviesos diodų spalvų temperatūra paprastai yra „šalta“, tuo tarpu halogeninės lempos spalvų temperatūra yra „šiltesnė“. Spektrinis balto LED indėlis artėja prie regimojo iki UV spindulių diapazono, o halogeninė lempa artėja prie matomumo iki NIR diapazono. Dviejų storio mėginių (gautų iš TR) optinio tarpo vertės buvo atitinkamai E g = 2, 22 eV (68 μm) ir E g = 2, 52 eV (6 μm). „Photo VI“ nuolydis (fotolaidumas) fig. Iš 4 (a) ir 4 (b) punktų aiškiai matyti, kad halogeninės lempos fotoatsakomumas mažo dažnių juostos pavyzdyje (68 μm, 2, 22 eV) buvo panašus į baltos šviesos diodo šviesos diodo, tuo tarpu didžiojo juostos tarpo bandinyje ( 6 μm, 2, 52 eV), halogeninės lempos „Photo VI“ nuolydis artėja prie tamsiosios būklės, kaip parodyta 4 pav. (B). Γ-In 2 Se 3 varžos vertės esant įvairiems šviesos šaltinių apšvietimams yra įtrauktos į fig. 4 (a) ir 4 (b) - palyginimui. Labiau pagrįsta parodyti, kad plataus optinio tarpo pavyzdys (pvz., T = 6 μm, E g = 2, 52 eV) mažiau reaguoja į matomą NIR šviesą, tačiau rodo didelį jautrumą mėlynos-UV apšvietimui. Kadangi nuo γ-In 2 Se 3 absorbcijos krašto keičiasi pobūdis nuo storio, gali būti pasiūlytas plataus energijos diapazono absorbcijos blokas, naudojantis laiptų klojimo struktūrą γ-In 2 Se 3 sluoksniais. Apatinė 4 pav. (B) įdėklė pavaizduota reprezentacinė bloko schema. Struktūra gali integruoti maksimalius γ-In 2 Se 3 fotoatsakas, sukeltas įvairių optinio tarpo (storio) sluoksnių, ir ji taip pat gali suteikti platų energijos diapazoną ir didelio efektyvumo optinę absorbciją, reaguojančią į baltą šviesą.

Image

a) 68 μm storio mėginio VI nuotraukos matavimai. b) 6 μm storio mėginio VI nuotraukos matavimai. Intarpas rodo siūlomą plataus energijos diapazono absorbcijos schemą, apimančią skirtingų γ-In 2 Se 3 absorbcijos kraštų (storių) sukravimą. c) balto LED ir halogeninės lempos šviesos sklaidos spektrai ir prožektoriaus šviesos modeliai esant ~ 9 mW / cm 2 galios tankiui.

Visas dydis

Γ ir α fazių perėjimas

Apskritai, amorfos medžiagos paprastai gali turėti kristalinę būseną arba fazių perėjimą, apdorojamą kaitinant aukštoje temperatūroje. Norint pamatyti bet kokį polimorfizmo transformacijos elgesį su γ-In 2 Se 3 sluoksniais, atliekamas šiluminės atkaitinimo bandymas evakuotoje vamzdžių krosnyje. 5 pav. (A) parodytas ~ 10 μm storio γ-In 2 Se 3 (geltonos spalvos) Ramano spektras, atkaitintas 700 ° C temperatūroje 20 minučių. Viršutiniame kairiajame 5 pav. (A) intarpas parodo atkaitinto γ-In 2 Se 3 mėginio spalvą ir morfologiją. Po atkaitinimo ji iš esmės yra juodos spalvos ir mes manome, kad In 2 Se 3 kristalas išgyja fazę nuo γ iki α polipo, termiškai apdorodamas 700 ° C. TR (spektras), rodomas 5 pav. (A) viršutiniame dešiniajame įterpime, patvirtina išplėstą juostos krašto perėjimo bruožą (E g ) esant maždaug 1, 45 eV, gerai sutampa su tiesioginiu išaugusio α-In 2 tarpu. Se 3 sluoksnių kristalai (matuojami TR), kaip parodyta 5 pav. (B) viršutiniame dešiniajame įdėkle. Α-In 2 Se 3 E g d (~ 1, 45 eV) reikšmė skiriasi nuo 2–2, 52 eV skirtingo storio γ-In 2 Se 3 sluoksnių, parodytų 2 pav. (A), vertės. Kaip parodyta 5 pav. (A) Ramano spektruose, atkaitinto mėginio vibracijos režimai (pereinant nuo γ iki α) iš esmės parodo penkias smailės savybes, išdėstytas 142, 174, 202, 236 ir 253 cm – 1 . Jie skiriasi nuo amorfinio γ-In 2 Se 3 sluoksnio su išplėstais 125, 150, 183 ir 228 cm – 1 bruožais 1 pav. (B). Penkios smailių 142, 174, 202, 236 ir 253 cm −1 savybės, išmatuotos skirtingose ​​sluoksniuotos plokštumos vietose (ty POS1 ir POS2 5 pav. (A)) rodo šiek tiek santykinį intensyvumo pokytį, nes atkaitintas pavyzdys neturi po atkaitinimo paviršius turi būti lygus ir plokščias. Daugelis α-polikristalinių grūdų su skirtinga orientacija ir plotais gali būti sudėti ir atsitiktinai paskirstyti atkaitinto mėginio sluoksninėje plokštumoje. Nepaisant orientacijos efekto, penkis vibracijos režimus 142, 174, 202, 236 ir 253 cm −1 atkaitintame pavyzdyje taip pat galima aptikti išaugusiame α-In 2 Se 3 kristale [žr. 5 pav. (B )]. Α-In 2 Se 3 turi šešiakampę sluoksniuotos struktūros struktūrą (ty kaip išaugusio kristalo kontūras 5 pav. (B)). 5 pav. Vibracijos režimai yra preliminariai priskirti ir palyginti su ankstesniais rezultatais. 142 cm −1 smailė yra susijusi su α-In 2 Se 3 krištolo A 1 (TO) virpesių režimu, o 174 cm − 1 režimas glaudžiai koreliuoja su „In-Se“ virpesiais α-In 2 Se 3 plona plėvelė 17 . 202 cm −1 smailė yra α-In 2 Se 3 A 1 (LO) režimas, kuris yra stipresnis, jei Ramano matavimas buvo atliktas bazinėje plokštumoje (k || c- axis) 26 . 236 cm −1 režimas taip pat turi A 1 simetriją ir paprastai parodo šiek tiek didesnį stiprumą briaunos plokštumoje esant k the c ašies veikimo kritinei šviesai. 253 cm −1 bruožas susijęs su Se 8 žiedų vibracijos režimu, kuris kada nors buvo aptiktas α-In 2 Se 3 plonoje plėvelėje 17 . Polikristalinio γ-In 2 Se 3 sluoksnio šiluminio atkaitinimo testas rodo, kad defekt-wurtzite γ-In 2 Se 3 yra žemos temperatūros fazė, kurią galima paversti aukšta temperatūra 2H (dvisluoksnis šešiakampis). α-In 2 Se 3 struktūra ~ 700 ° C temperatūroje. Grotelių konstantos c ( c- axis) reikšmės tiek α-, tiek γ-In 2 Se 3 yra panašios, o tai nustatoma kaip c ≈ 19, 3 Å. Γ-In 2 Se 3 yra wurtzite defektų struktūra, kurios atomų išdėstymas katijonų lape yra

Image

, kur „

Image
Yra indžio laisva vieta. Α-In 2 Se 3 monosluoksnį gali sudaryti tetraedrinė Se-in-Se-In-Se konfigūracija. Amorfiniam γ-In 2 Se 3, termiškai apdorojant 700 ° C, ta pati sluoksniuotosios plokštumos gardelės konstanta c sudaro tinkamą aplinką γ → α perėjimui toje pačioje sluoksniuotoje plokštumoje, kurioje yra In 2 Se 3 (ty vidinėje). sluoksnio fazės transformacija). Be to, siekiant skatinti γ-In 2 Se 3 optinės atminties naudojimą, taip pat buvo atliktas lazerio sukeltas fotodarko bandymas naudojant 405 nm kietojo kūno lazerį. Lazerio taško dydis (skersmuo) yra ~ 0, 5 mm, o išėjimo galią galima reguliuoti nuo 0 iki 300 mW. Γ-In 2 Se 3 ėminio plotas yra apie 2 × 2 mm 2, o storis t ≅ 6 μm (ty geltonos spalvos). 6 paveiksle pavaizduotos tikrosios kristalų spalvos ir γ-In 2 Se 3 sluoksniuoto mėginio kristalų spalvos ir spektro spektrai, naudojant fotoaparatą, naudojant termiškai apdorotą lazeriu. Didėjant lazerio galiai, γ-In 2 Se 3 taškinė spalva pamažu keičiasi iš geltonos, oranžinės, raudonos, tamsiai raudonos, rudos ir juodos (P ≈ 50 mW, galios tankis density 6, 36 W / cm 2 ). Sukeltas juodas taškas turėtų būti α-polipo tipas ir kurio Ramano spektrą sudarė daug išplėstas bruožas ir penki su α susiję Ramano režimai, kaip parodyta 6 pav. Tamsiai raudonai (rusvai) sričiai šalia juodos dėmės fotodarkenuotas γ-In 2 Se 3 (žr. 6 pav.), Ramano spektras rodo panašią liniją, kaip ir geltonojo pavyzdžio, išskyrus tai, kad tamsiai raudonos srities linijų plotiai yra susiaurinti, o smailės energijos šiek tiek pasislenka mėlyna spalva . Tamsiai raudona (rusvai ruda) sritis vis dar gali būti γ-In 2 Se 3 su geresniu kristališkumu, tuo tarpu juodoji dėmė yra α-In 2 Se 3 fazė (ty fazės perėjimas). Rezultatas yra tas, kad gydymas lazeriu yra toks pat kaip ir šiluminis grūdinimas krosnyje. Remiantis eksperimento rezultatais, stabiliausia ir labai kristalinė In 2 Se 3 fazė turėtų būti α fazė. Dėl diindžio triselenido fazės pakeitimo savybės γ-In 2 Se 3 gali būti naudojamas kaip optinės atminties medžiaga, turinti ilgalaikio saugojimo galimybę.

Image

a) Atkaitinto γ-In 2 Se 3 mėginio Ramano ir TR spektrai esant 700 ° C. Viršutiniame kairiajame intarpe parodyta atkaitinto mėginio kristalų spalva ir morfologija. (b) Paaugusio α-In 2 Se 3 sluoksniuoto kristalo Ramano ir TR spektrai. Viršutinis kairysis intarpas rodo α-In 2 Se 3 krištolo kontūrą.

Visas dydis

Image

Visas dydis

Apibendrinant galima pasakyti, kad γ-fazės 2 Se 3 sluoksnių kristalai, turintys šiek tiek amorfinės būsenos, buvo išauginti cheminio garų pernešimo metodu, naudojant transportavimo agentą ICl 3 . Dėl III ir Se VI skirtumų ir daugybės nanokristalinių būsenų amorfiniame γ-In 2 Se 3 sluoksnyje ištirtos pagrindinės chalkogenido savybės ir galimas panaudojimas. Iš pradžių dėl amorfinio efekto ir kvantinės lokalizacijos buvo aptiktas nuo storio priklausomas γ-fazės absorbcijos ir briaunų poslinkis 2 Se 3 sluoksniuose nuo 2, 52 eV (t = 6 μm) iki 2, 08 eV (t = 290 μm). nanokristalai. Γ-In 2 Se 3 varža taip pat parodo, koks storis priklauso. Tai patikrina sugerties krašto pokyčius atsižvelgiant į storio pokyčius. Ši savybė gali būti panaudota kaip rezistoriaus logika keičiant plėvelės storį kaip elektrinę atmintį. „Photo VI“ matavimai rodo, kad baltąją šviesą, matomą UV spinduliuose, galima efektyviai absorbuoti, kad būtų galima fotoelektrinę konversiją γ-In 2 Se 3 sluoksniuotuose junginiuose, turinčiuose skirtingą storį. Šiluminio atkaitinimo bandymas patikrina, ar γ fazės perėjimo į α fazę In 2 Se 3 temperatūra yra apie 700 ° C. Būsenos ir fazės pokyčiai taip pat buvo patikrinti lazerio sukeltų fotodangų eksperimentais. Tame pačiame In 2 Se 3 lape polipo tipo γ pasikeitimas į α gali parodyti, kad ir α-In 2 Se 3, ir γ-In 2 Se 3 priklauso sluoksniuotosios rūšies struktūrai. Amorfinis poveikis galimai pagerinant γ-In 2 Se 3 optoelektronines savybes lemia, kad sluoksnio kristalai yra daugiafunkciniai, turintys elektrinę logiką, optinę atmintį ir fotoelektrinės konversijos galimybes.

Metodai

2- se 3 sluoksnių kristalų paruošimas

In 2 Se 3 kristalai buvo auginami naudojant cheminį garų pernešimą, naudojant ICl 3 kaip pernešėją 27 . Augimas buvo atliekamas horizontalioje trijų zonų vamzdžių krosnyje, kurios temperatūros gradientas buvo 500 ° C ← 650 ° C → 500 ° C, kad būtų galima vienu metu auginti dvi uždarytas kvarco ampules. Prior to the crystal growth, the pure elements of In and Se with proper stoichiometry combined with a small amount of transport agent (ICl 3 ) were put into the quartz ampoule, which was then cooled using liquid nitrogen, evacuated to approximately 10 −6 Torr, and then sealed. The reaction was maintained for 200 h for growing large single crystals. After the growth was completed, the as-grown crystals exhibited two distinct color groups: shiny black (α-In 2 Se 3, at higher-temperature position) and red to yellow (γ-In 2 Se 3, at lower-temperature side). These are essentially layer-type crystals with varying optical gaps. By using a razor blade or Scotch tape, both of them were thinned out to obtain thinner samples because weak van der Waals bonding existed between the individual layers.

Optiniai matavimai

The TR experiments were implemented using indirect heating manner with a gold-evaporated quartz plate as the heating element. The thin layered samples of γ- and α-In 2 Se 3 were closely attached on the heating element by silicone grease 28 . The on-off heating disturbance uniformly modulates the layered sample periodically. The incident and reflected lights can be guided by a silica fiber. An 150 W tungsten halogen lamp (or an 150 W xenon-arc lamp) filtered by a PTI 0.2-m monochromator provided the monochromatic light. The incident light is focused onto the sample with a spot size less than hundred μm 2 . An EG&G type HUV-2000B Si photodetector acted as the detection unit and the TR signal was measured and recorded via a NF 5610B lock-in amplifier. For the Raman measurement, a Renishaw micro-Raman spectrometer equipped with a 514-nm Ar+ ion laser was used for the structural characterization of phase change in the layered In 2 Se 3 materials. The laser spot size (diameter) of Raman measurement was about 0.2 mm (ie the minimum size can be down to 5 μm) and the laser power was adjusted to be about 2 mW. Photo VI experiments were performed using two dissimilar white-light sources as the solar emulators. The first was a commercialized InGaN-based phosphorus white-light light-emitting diode array (denoted as white LED), and the second was a tungsten halogen lamp (denoted as halogen lamp). The averaged power density of the white LED and the halogen lamp was adjusted and maintained at approximately 9 mW/cm 2 by using the monitor of an OPHIR optical power meter equipped with a broadband high-sensitivity thermal sensor (0.15–6 μm). To prepare the samples for the Photo VI measurements, each specimen of the layered γ-In 2 Se 3 was cut into a rectangular shape. The two ends of each specimen were then coated with Au/In, which served as the ohmic-contact electrodes by sputtering. To perform the optical measurements, the ohmic-contact electrodes on each sample were shielded with light. The Photo VI measurements were implemented using the auxiliary of a semiconductor parameter analyzer. The voltage scanning range was set at −500 to 500 V.

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.