光捕獲和表面等離子體提高近紅外光譜探測器的性能

1、光捕獲和表面等離子體提高近紅外光譜探測器的性能主題領域：納米光子學和等離子，傳感器和生物傳感器作者：Lin-Bao Luo1,3, Long-Hui Zeng1,3, Chao Xie2,3, Yong-Qiang Yu2,3, Feng-Xia Liang2,3, Chun-Yan Wu1,3,Li Wang1,3 & Ji-Gang Hu1,31 接收于2013年11月22日，電子科學與應用物理學院、合肥工業(yè)大學、合肥,安徽230009,p . r .中國。2 公認于2014年1月13日，材料科學與工程學院,合肥工業(yè)大學,合肥,安徽230009,p . r .中國。3 發(fā)表于2014年1月

2、28日，安徽省關鍵先進功能材料和設備的實驗室,合肥工業(yè)大學,合肥,安徽230009,p . r .中國。異質結的近紅外(NIR)光電探測器已經吸引了越來越多的研究興趣，廣泛的應用在許多領域,如軍事偵察、目標檢測、光和視覺。高性能的近紅外光譜光電探測器由納米甲基硅排列覆蓋制成，并有等離子納米金粒子(AuNPs)石墨烯薄膜。理論模擬基于有限元法(FEM)揭示了AuNPsgraphene / CH3-SiNWs陣列設備能夠捕獲入射近紅外光線進入SiNWs，通過SPP激發(fā)和耦合AuNPs修飾石墨烯層。更重要的是,耦合和捕獲傳播的平面波從自由空間傳播到納米結構和表面鈍化導致開關率高。帶有間接狹窄的帶隙(

3、1.12 eV) 的硅(Si),幾十年來一直有眾多核心技術創(chuàng)新,仍然是電子業(yè)不可替代的關鍵材料。與薄膜和散裝同行相比,硅納米線(SiNWs)大表面容積比和優(yōu)越的傳輸性能可用來制造各種光電子器件,如場效應晶體管、太陽能電池,化學和生物傳感器,光電探測器(綜合布線系統(tǒng))等等。在各種SiNWs基礎的納米器件, 光電檢測器用硅納米結構組裝有不錯的研究。由于合適的帶隙和增強的光學性質,SiNWs基礎的光電檢測器能夠探測紅外線具有高度的敏感性和良好的光敏反應,從而構成大規(guī)模應用的核心組件在許多軍事偵察等領域,目標檢測和追蹤。為了進一步提高設備性能(例如:開/關率、響應速度)SiNWs基礎的光電檢測器,人們

4、求助于新設備與抑制載波復合,增強光吸收和載體傳輸。石墨烯,作為一個有前途的替代透明電極的材料,表現(xiàn)出非凡的特性,諸如光學透過率高、熱導率高,優(yōu)秀的電子和機械性能,以及杰出的化學/物理穩(wěn)定性與可調功能工作。因此,石墨烯已廣泛應用于各種光伏設備，光電檢測器,發(fā)光二極管(led)。表面等離子體激元(SPs),電磁波感應引起電荷在金屬的表面集體振蕩是光捕獲的基礎。離子金屬納米顆粒(如金、銀NPs)組成的石墨烯的出現(xiàn)作為一種替代方法,獨特的電極材料顯示廣泛的非凡的性能,包括強烈的光吸收近紅外光譜和可見的范圍和支持表面等離子體極化聲子 。此外,SPPs綁定到石墨烯表面展示獨特的功能,如模態(tài)指數(shù)高,相對較低

5、的損失,由電場和磁場靈活的可調諧性。在此,我們提出一個簡單的策略來制造高性能近紅外光電探測器，通過覆蓋石墨烯-硅復合體系。組裝的設備表現(xiàn)出明顯的敏感性在850納米光照明開/關比為106,相對于其他基于Si設備是最好的。理論模擬基于有限元法(FEM)顯示,高性能的優(yōu)良的光學性能可以歸因于AuNPs石墨烯/ SiNWs數(shù)組作為高效SPP基礎的近紅外光譜光耦合系統(tǒng),能夠捕獲入射進入SiNWs的近紅外光，通過SPP激發(fā)和在充滿AuNPs石墨烯層上耦合。上面的普遍性的結果表明,我們的NIRPD將在未來有潛在應用光電設備。結果：圖1a展示了制造近紅外光譜探測器AuNPsgraphene/SiNWs的陣列過

6、程。通過銀的化學腐蝕法合成垂直的SiNWs陣列，并可以減少SiNWs表面的電荷重組。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）有助于石墨烯層轉移到SiNWs陣列表面是隨著用丙酮除去PMMA。最后，通過旋轉涂布AuCl3,AuNPs沉積到石墨烯。圖1 b顯示了SiNWs陣列的橫截面掃描電鏡圖像，發(fā)現(xiàn)SiNWs整齊的排列，長約2830微米。根據圖1c的統(tǒng)計分布分析，SiNWs的直徑范圍是120220nm，平均有效值為170nm。石墨烯薄膜的拉曼光譜發(fā)現(xiàn)有兩個高峰：即在2698/cm的2D波段和在1581/cm的G波段。這個強度比為1.02,在1350/cm的D波段存在散射，表明石墨烯由多層的石墨烯缺陷組成（圖1

7、d）。圖1g描述了典型的多層石墨烯/SiNWs肖特基結被40100nm的AuNPs修改的電子顯微圖像。這些AuNPs同樣的分布在石墨烯薄膜，通過減少從石墨烯接受金原子來形成。（圖1f）在這項研究中,SiNWs陣列是有意通過這樣的單層甲基羧基官能團可以有效抑制表面復合。圖2a描述了典型AuNPsgraphene/SiNWs陣列在室溫的I-V曲線，可以看到明顯的整流是由于在石墨烯和SiNWs之間有肖特基勢壘。圖2 b比較了電流密度-電壓(J-V)曲線的三個樣品,沒有表面功能化。它可以很容易地看到,近紅外光譜的照明光(5850 nm,3 mW / cm2,AuNPsgraphene / SiNWs陣

8、列有最好的光伏特性的開路電壓(Voc)和短路電流密度(Jsc)。值得注意的是,這種光生伏打效應可允許有效的近紅外光譜光傳感。圖2 c所示,當光線交替打開和關閉在零偏壓,AuNPsgraphene / SiNWs陣列可以可逆地低收入和高電阻率狀態(tài)之間切換的暗電流(Idark)4.1 pA,和27 uA光電流(Ilight),產生一個I亮/ I暗比率大于106。三個樣本之間的最高有效值(見圖2 c和圖S1)。稍后我們將討論,這么高的開關比可以部分歸因摻入AuNPs增強了近紅外探測器的吸收。此外,石墨烯電極片摻入AuNPs可以增加薄層電導率，而且減少串聯(lián)阻抗來提高開關率，如圖2d的3個設備的光譜響應

9、，很明顯,這三個設備的光譜響應顯示幾乎相似的光譜選擇性,靈敏度與峰值在950納米左右。圖1 |設備制造和結構表征。(a)制造的過程的示意圖說明;(b) SiNWs的SEM照片,插圖顯示放大的掃描電鏡圖像SiNWs陣列;(c)統(tǒng)計分布SiNWs的直徑(d)多層石墨烯薄膜的拉曼光譜,插圖顯示的掃描電鏡圖像Si襯底上的石墨烯薄膜;(e)SEM圖像AuNPs石墨烯薄膜,插圖顯示TEM圖像AuNP;(f)金在AuNPs石墨烯薄膜的4 f光譜;(g)橫截面掃描電鏡NIRPD的圖像。圖2 | NIRPD的光電特性。(a)NIRPD測量在室溫下的電流-電壓曲線,插圖顯示了設備結構;(b)電流-電壓特性(c)三

10、個設備光響應在850 nm光照明V=0 V;(d)相應的光譜響應,靈敏度定義為100 Icurrent/Imax，最大光電流AuNPsgraphene / CH3-SiNWs陣列在950納米左右。為使分析更可靠,所有波長的光功率相同。討論：當前的光電流近紅外光電檢測器高度依賴激發(fā)光的強度。圖3a表明一個AuNPsgraphene / SiNWs陣列的光電流光照明在紅外檢測器下具有不同的強度。很明顯,設備的光電流隨著光強度增加。這種依賴光電流的光強度可以通過一個簡單的冪律:iphoto=Ap ,波長A是一個常數(shù),指數(shù)(0.51)確定光強度光電流的反應。通過擬合方程,估算是0.91。這近整數(shù)指數(shù)表

11、明,捕獲已經有效地減少光敏能力是非常有益的。接下來是NIRPD紅外脈沖光的光響應(850nm)。圖3 d所示,所有開關頻率(0 - 2200赫茲),我們的設備可以高和低電導之間切換。值得注意的是,即使在2200赫茲,相對平衡僅下降不到10%,顯示監(jiān)視高頻率光脈沖巨大的潛力。如圖3所示,響應時間的定義是光電流增加所需的時間從10%提高到90%,恢復時間是類似定義的。仔細分析曲線會導致一個小響應/恢復時間(r/f)73/96的比值在開關頻率2200赫茲。這個響應速度比類似的PDs更快(由表1)。我們相信,快速響應速度可以歸因于以下兩個因素:(1)內建電場形成的肖特基結。在光探測,光激發(fā)電子空穴對可

12、以快速分離,然后轉移到電極,引起快速反應速度。(2)SiNWs表面鈍化，-CH3修正的表面能帶彎曲使SiNWs徑向的光激發(fā)的電子-空穴對分開。圖3為了清楚地比較我們的設備與現(xiàn)有的性能相比,響應度(R)和探測能力(D *),兩個關鍵指標通常用于量化計算光電探測器的性能。目前NIRPD、響應率和探測能力計算是1.5 A / W和2.54 1014, (請參考這兩個參數(shù)的詳細計算的支持信息)。表1總結了當前設備的設備性能和其他PDs有類似的結構。雖然反應性不顯示任何明顯的優(yōu)勢, 與其他基于Si NIRPDs相比，目前設備的探測能力達到了最高,而且我們設備的響應/恢復時間大幅減少。更重要的是,開/關比

13、例不僅遠高于石墨烯/氧化鋅納米棒陣列,石墨烯/ 通用電氣晶片graphene-PbS量子點(量子點),石墨烯量子點陣列1,和石墨烯/ CdSe nanobelt PDs,而且基于硅光電探測器包括石墨烯/ Si襯底 和純石墨烯/ SiNWs異質結 。推出高性能的NIRPD背后的物理學是我們研究AuNPsgraphene / SiNWs陣列結構的光學特性使用有限元法。為了方便起見,我們只考慮石墨烯/ SiNWs。在850納米光的照明下,石墨烯片的等效相對介電常數(shù)可以通過Kumbo公式:-0.6245+0.0015i (見支持信息細節(jié)),負的實數(shù)部分和接近于零的虛部表明它表現(xiàn)得像一個低損耗透明的金屬

14、薄膜。這些獨特的電學和光學特性使石墨烯片的雙重功能,即作為優(yōu)秀的透明電極和金屬薄膜SPP勵磁。圖4 a說明石墨烯/ SiNWs數(shù)組的電場能量分布與平均周期和直徑220和140nm,240和160nm,260和180nm，280和200nm。它是可見的,可以有效地耦合SiNWs入射光。這樣的光捕獲效果非常有效,場強很高甚至在4毫米遠離肖特基接觸,導致能源利用效率高。具體來說,根據放大電場能量分布(圖4 b、d、f、h),最強大的電場可以誘導SiNWs直徑180納米,而SiNWs允許的平均直徑被侵蝕。此外,與大的波矢量波散射的過程中提供的內耦合可以激發(fā)SPP波在石墨烯層,導致明顯的電場增強,可以大

15、大促進電子傳遞效率的改善在石墨烯表和SiNWs之間的接口。這個優(yōu)秀的光學性質是形成鮮明對比的情況下大部分Si /石墨烯。圖5顯示了低的穿透深度和強度散裝硅層。它可以觀察到,大多數(shù)的光反射在入射界面,也沒有SPP波生成由于入射光在自由空間和在石墨烯中的SPP波。實際上,這種理論模擬的結果是降低反射率,圖5中所示。有效光捕獲效應和SPP感應場在頂部增強，界面提供的石墨烯/ SiNWs陣列結構非常有利于紅外光探測,因為他們可以提供一個長光程和更多的光捕獲表面積,提高SiNWs從自由空間光耦合效率,并抑制光反射。圖4有趣的是,光捕獲效率和局部場空間分布的石墨烯/ SiNWs陣列結可以通過引入表面AuN

16、Ps離子在多層石墨烯層得以加強。在這種情況下,AuNPsgra-phene / SiNWs陣列實際上是一個SPP基礎光耦合的系統(tǒng)。AuNPs可以作為低波長散射從自由耦合和捕獲從自由空間波傳播到一個半導體吸收結構通過向納米線散射光線。此外,SPPs激發(fā)在AuNPs / gra-phene界面可以有效地SiNWs捕獲和引導光線。圖6a-d模擬顯示設備的模擬電場能量分布與不同AuNPs直徑,可以看到AuNPs和石墨烯之間的強耦合使SPP更集中在AuNPs下方的區(qū)域。值得注意的是,相對強局限性提出可觀測到的耦合石墨烯和AuNPs系統(tǒng)直徑為60 - 70納米。圖5圖6這樣特別的功能不僅可以導致石墨烯表面

17、場的增加,但也導致定向光散射和耦合到AuNPs下面的SiNWs,這個改善光捕獲效率和局部場增強與傳輸譜如圖6所示。除了SPPs-感應光捕獲效果,SiNWs的表面修正有助于增強設備性能。圖7說明了石墨烯/ SiNWs肖特基結能帶表面改性前后。指出表面修正可以顯著改變表面的電子親和能SiNWs:表面的電子親和能抵消CH3-SiNWs。因此, CH3-SiNWs與H-SiNWs相比能極大加強內電場。另一方面,表面能帶彎曲引起的-CH3修正也有助于光激發(fā)電子-空穴對的徑向分離;納米線表面上的空穴將在中心積累,防止復合。第三, SiNWs表面鈍化降低電子空穴結合的可能性,因此增加了載流子遷移速率。因此,

18、少數(shù)載流子的壽命(空穴)在SiNWs壽命將延長,引起增加光電流?？傊?通過表面覆蓋AuNPs離子的石墨烯/硅納米線陣列成功制造出高效的近紅外光電探測器。開/關比可以達到高達106,是已知最高的。此外, 零偏壓是響應度和探測能力估算有1.5AW-1,和2.52 1014cmHz1/2W-1。進一步分析表明,NIRPD可以工作在一個廣泛的斬波頻率,高響應速度(響應/恢復時間73/96 s)。理論上基于有限元仿真揭示了高靈敏度主要歸因于光捕獲和SPP-感應場增強。此外,自由傳播的平面波的耦合和捕獲的光吸收的半導體結構,高效的SiNWs表面鈍化有助于觀察。圖7方法：硅納米線和石墨烯的制備與表征。立式的

19、SiNWs陣列是用Ag化學腐蝕法。簡略的說，尺寸要求為0.20.25cm2的SiO2（300nm）/n-Si晶片（電阻率：1-10cm）基質，然后浸在緩沖氧化物腐蝕（BOE）直到Si下的基質暴露出來。獲得的基質立即浸入混合的HF（4.8）和AgNO3溶液中去覆蓋AgNP3去催化。腐蝕20分鐘后，獲得的SiNWs陣列再浸入稀釋的HNO3和HF中去除表面的Ag和SiO2。甲基群SiNWs陣列（用CH3-SiNWs表示)準備兩步氯化/氫化。在1000度的氣相沉積(CVD)方法這個多層的石墨烯粘在在20微米厚Cu片上。聚甲基丙烯酸甲酯放于氯苯中，然后用Marbles溶液（CuSO45：HCl:H2O2

20、=10g:550ml:550ml）去除底層的Cu片。然后用水沖洗掉石墨烯上的離子。多層石墨烯膜直接轉移到二氧化硅/硅襯底和PMMA被丙酮去除。設備建設和評估。制造AuNPs石墨烯/ SiNWs肖特基結光電探測器,5/50 nm Ti /金電極,為石墨烯作為電接觸,先使用電子束蒸發(fā)沉積二氧化硅/硅襯底。然后PMMA-supported多層石墨烯膜直接轉移到SiNWs之上。在100度干燥10分鐘,石墨烯薄膜的殘余PMMA是被丙酮去除。銦鎵合金然后貼在后面的Si基質后實現(xiàn)歐姆接觸。AuNPs上的石墨烯通過旋轉涂布的AuCl3硝基甲烷(10毫米)在襯底在2000 rpm 1分鐘來得到。石墨烯/ SiN

21、Ws的設備特點是使用Keithley4200半導體特性測量系統(tǒng)。確定光譜響應時間和響應的肖特基結設備,用自制系統(tǒng)由光源(LE-SP-LS-XE),一個單色儀(LE-SP-M300),一個示波器(美國泰克,TDS2012B),和一個光學斬波器(LE-oc120)使用。理論仿真。用有線元法（FEM）來仿真電場的能量密度。計算的，入射的850nm的P偏振光，硅和金的介電常數(shù)分別為13.410+ 0.029i和228.168 + 1.752i。石墨烯的介電常數(shù)有公式G=1+(iG0)/k0d,多層石墨烯超薄，厚度為1nm。，i是虛數(shù)，0和k0是阻抗和波矢。G是電導，由Kumbo公式可得：G=ie2kB

22、TckBT+2lnexp-ckBT+1/h2(w+i-1)w是光的角頻率，T是周期，e是電荷，h是普朗克常數(shù)，kB是玻爾茲曼常數(shù)，c和是化學勢和弛豫時間。特別在=850nm（1.459eV）時，T=300K，c=0.12eV，=0.5ps，則計算的相對介電常數(shù)為-0.6245+0.0015i，有類金屬性和一點光學損失。參考文獻1. Sze, S. M.&Ng, K. K. Physics and properties of semiconductors-a review Physicsof semiconductor devices 78 (John Wiley & Sons, Inc., N

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