Comparación experimental entre Nb2O5

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7104 (2023) Citar este artículo

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En el presente estudio, al agregar grafeno a un fotodetector fotoconductor con una capa absorbente de pentóxido de niobio (Nb2O5) y explotar el efecto de fotoactivación, la capacidad de respuesta del fotodetector mejora significativamente. En este fotodetector, la capa de Nb2O5 detecta la luz y el grafeno mejora la capacidad de respuesta en función del efecto de fotoactivación. La fotocorriente y la relación porcentual de la fotocorriente a la corriente oscura del fotodetector de fotoactivación de Nb2O5 se comparan con las del fotodetector fotoconductor correspondiente. Además, los fotodetectores fotoconductores y fotoelectrónicos de Nb2O5 se comparan con los fotodetectores fotoconductores y fotoelectrónicos de dióxido de titanio (TiO2) en términos de capacidad de respuesta a diferentes voltajes aplicados (fuente de drenaje) y voltajes de compuerta. Los resultados muestran que los fotodetectores de Nb2O5 tienen mejores figuras de mérito (FOM) en comparación con los de TiO2.

Los materiales bidimensionales pueden interactuar fuertemente con la luz. Uno de estos materiales bidimensionales es el grafeno, que es una monocapa de átomos de carbono estrechamente dispuestos en una red cristalina con un patrón de panal bidimensional1. Game y Novoselov fabricaron y caracterizaron el primer grafeno sintético de una sola capa en 2004. Por esta invención, Game y Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física en 20102. En 2013, las láminas atómicas bidimensionales de grafeno y una nueva clasificación de nanoescala Se propusieron materiales que pueden ser utilizados en electrónica3. Las emocionantes propiedades del grafeno incluyen alta movilidad de carga, excelente conductividad térmica y alta resistencia1,4,5,6,7. Una de las aplicaciones del grafeno es en fotodetectores. El grafeno de una sola capa puede absorber solo el 2,3% de la luz irradiada de 300 a 2500 nm, por lo que tiene una baja capacidad de respuesta8. La capacidad de respuesta de los fotodetectores de grafeno se puede mejorar de diferentes maneras, incluido el uso de estructuras de microcavidad9, puntos cuánticos10, matrices de nanodiscos de grafeno11, guías de onda de grafeno3,12,13, heteroestructuras y grafeno incorporado con diferentes materiales14,15. Se informó una alta capacidad de respuesta en los fotodetectores de grafeno con efecto de fotoactivación16,17,18. En 2010 se fabricó un detector de grafeno. El detector de grafeno tenía una capacidad de respuesta de 6,1 mA/W a una longitud de onda de 1,55 μm19. En 2012 se presentó un detector de grafeno con cavidad. El detector tenía una capacidad de respuesta de 21 mA/W a una longitud de onda de 850 nm9. En 2015 se presentó un detector de grafeno y nitrato de boro con guía de onda óptica; este detector tenía una capacidad de respuesta de 0,36 A/W20. Se han realizado varios estudios sobre el grafeno y los procesos de absorción de luz, incluido el efecto fotovoltaico (generación de fotocorriente basada en la separación de huecos de electrones bajo el campo eléctrico en la unión de las regiones con diferentes impurezas), el efecto fotovoltaico (absorción de luz que cambia la densidad del portadores, lo que a su vez conduce a un cambio en la conductividad del componente en la estructura del transistor), efecto bolométrico (cambio en la conductividad como resultado de la radiación de luz y el aumento de temperatura) y efecto termoeléctrico (creación de voltaje de acuerdo con el efecto Seebeck debido al aumento de la temperatura de los portadores)21. Dado que la capacidad de respuesta del efecto photogating es mucho mayor que la de otros efectos, el presente estudio se centra en este efecto. En el efecto photogating, uno de los portadores queda atrapado en la capa absorbente. En otras palabras, la vida útil de los soportes adicionales aumenta a medida que los soportes se separan entre sí por defectos e impurezas. Si uno de los tipos de portadores generados queda atrapado, puede generar un campo eléctrico adicional, como un voltaje de puerta, para modular la conductancia del canal22,23,24,25,26. Dichos detectores con pequeñas dimensiones muestran una alta capacidad de respuesta y una velocidad de respuesta limitada debido a la prolongación de la vida útil de los portadores adicionales27. En 2012 se propuso una estructura de grafeno con puntos cuánticos. En esta estructura se obtuvo una responsividad de 107 A/W a una longitud de onda de 532 nm10. En 2016, se utilizó la estructura de grafeno∕SiO2/Si ligeramente dopado para una alta sensibilidad y capacidad de respuesta. El rango operativo fue desde las regiones visibles hasta las del infrarrojo cercano, y la capacidad de respuesta fue de 1000 A/W a una longitud de onda de 514 nm. En este fotodetector, debido a los defectos entre el SiO2 y el Si ligeramente dopado, los electrones se acumulan en las trampas y crean un voltaje de puerta negativo, provocando que se induzcan más huecos y aumentando así una alta ganancia25. En 2018, se utilizó fósforo negro (BP) con una banda prohibida directa de 0,3 eV como material absorbente de luz. A longitudes de onda de 655 nm, 785 nm y 980 nm, se obtuvieron responsividades de 55,75 A/W, 1,82 A/W y 0,66 A/W, respectivamente. Los electrones excitados quedan atrapados en niveles trampa y los huecos atraviesan la capa de grafeno por el potencial interno entre el grafeno y el BP. La vida útil de los transportadores aumenta con las trampas. Debido a la alta movilidad del grafeno, los huecos pueden fluir en el circuito antes de recombinarse con los electrones. La estructura introducida funciona en las regiones del visible al infrarrojo cercano basándose en el efecto photogating22. En 2018, se utilizaron nanopartículas de Ti2O3 con una banda prohibida de 0,09 eV para fabricar un detector en el espectro infrarrojo medio. El mecanismo es el mismo que antes. Este detector tenía una capacidad de respuesta de 300 A/W para una longitud de onda de 10 μm28. En 2018, se investigó el efecto de fotoactivación en fotodetectores de grafeno utilizando sustrato de Si dopado con SiO2/n. A longitudes de onda de 450 nm y 1064 nm, las respuestas fueron 500 A/W y 4 A/W, respectivamente. La flexión de la banda en la interfaz Si/SiO2 separa los pares electrón-hueco. Bajo el campo eléctrico, los electrones se mueven hacia el Si mientras que los huecos quedan atrapados en la interfase Si/SiO2; la acumulación de agujeros en la interfaz Si/Si2 actúa como una puerta positiva y aumenta el nivel de grafeno de Fermi. Esto hace que el grafeno se convierta en tipo n24. En 2018, se fabricó un transistor de grafeno con un sustrato de antimoniuro de indio (InSb). Se logró una capacidad de respuesta de 33,8 A/W con un efecto de fotoactivación a una longitud de onda de 4,6 μm29. En los últimos años se han presentado varios fotodetectores con capas absorbentes de TiO2 y Nb2O5 en la región UVA30. En 2011 se propuso un nanocinturón de Nb2O5 y a 1 V se obtuvo una responsividad de 15,2 A/W31. En 2015, se fabricó un fotodetector de nanoplacas de Nb2O5 con una capacidad de respuesta de 24,7 A/W a 1 V32. En 2021, se fabricó un fotodetector de nanocables MAPbI3 y se informó una capacidad de respuesta de 20,56 A/W a 1 V33. En 2023, se presentó una heterounión tipo II de fibra híbrida de nanopartículas TiO2 NTs/Cs3Cu2I5 con una capacidad de respuesta de 26,9 mA/W a −1 V34. El efecto photogating se puede investigar en tres estructuras diferentes, a saber, quantum dot10, bulk23,24,25 y estructuras de película delgada8. Los puntos cuánticos se pueden integrar en materiales bidimensionales para lograr algunas ventajas. Como primera ventaja, los puntos cuánticos con mayor espesor resuelven el problema de la baja absorción óptica de los materiales bidimensionales. La segunda ventaja es que los materiales bidimensionales tienen una alta movilidad de portadores y la tercera ventaja es que algunos materiales bidimensionales no tienen un amplio espectro de absorción, mientras que los puntos cuánticos compensan esta capacidad de respuesta limitada. Para un material bidimensional como el grafeno, no existe un mecanismo para producir múltiples portadores a partir de un fotón. Al usar puntos cuánticos, una gran cantidad de agujeros pueden fluir en el circuito y, como resultado, la ganancia aumenta. Esto se debe a que la vida útil de los electrones atrapados es larga y la movilidad de los portadores en el grafeno es alta. Una de las desventajas de los puntos cuánticos es su toxicidad. Además, las dimensiones de los puntos cuánticos cambian el ancho de banda de los materiales utilizados. En los detectores a granel, debido a los defectos entre el SiO2 y el Si ligeramente dopado, los electrones se acumulan en las trampas y crean un voltaje de puerta negativo, lo que provoca la inducción de más huecos y, por lo tanto, aumenta la ganancia. En otras palabras, la flexión de la banda en la interfase Si/SiO2 separa los pares electrón-hueco. Bajo el campo interno, los electrones se mueven hacia el sustrato de Si mientras que los agujeros quedan atrapados en la interfaz Si/SiO2, y la acumulación de agujeros en la interfaz Si/SiO2 actúa como una puerta positiva y aumenta el nivel de grafeno de Fermi. Como resultado, el grafeno se convierte en grafeno tipo n. No se utiliza un sustrato de silicio altamente dopado ya que tiene portadores adicionales con una vida útil mucho más corta. La aplicación de la estructura a granel se limita a materiales de alta energía y rayos X23,24,25.

En el presente estudio, se utilizan películas delgadas absorbentes de Nb2O5 (3,7 eV) y TiO2 (3,2 eV) basadas en el mecanismo de fotoactivación. El uso de materiales de banda ancha es una ventaja para el fotodetector porque opera a temperatura ambiente. Al transferir grafeno al detector fotoconductor, la capacidad de respuesta aumenta aproximadamente 20 veces. El uso de una capa absorbente de Nb2O5 es una nueva técnica. Las ventajas de esta técnica son su bajo coste y la sencillez de obtener Nb2O5 sin ninguna tecnología especial solo combinando unas pocas soluciones. En el presente estudio, se comparan un detector fotoconductor con una capa absorbente de Nb2O5 y un fotodetector de grafeno con la misma capa absorbente de Nb2O5 en términos de capacidad de respuesta y la relación porcentual de fotocorriente a corriente oscura. Las responsividades de los detectores photogating y fotoconductores con la capa absorbente de Nb2O5 son 12,69 A/W y 0,65 A/W respectivamente. Las proporciones porcentuales de fotocorriente a corriente oscura de los detectores fotoelectrónicos y fotoconductores con una capa absorbente de Nb2O5 son respectivamente 2,84 % y 0,16 % con un voltaje de fuente de drenaje de 1,5 V y un voltaje de puerta de 1 V. Las responsividades de los detectores basados ​​en TiO2 los detectores fotoconductores y de fotocontrol, que se fabrican en las mismas condiciones de laboratorio, son de 0,45 A/W y 8,32 A/W, respectivamente. Las proporciones porcentuales de la fotocorriente a la corriente oscura de los detectores fotoconductores y fotoactivadores de TiO2 son 0,16 % y 2,84 %, respectivamente. La capacidad de respuesta de un detector de fotoactivación con una capa absorbente de Nb2O5 es aproximadamente dos veces mayor que la de un detector de fotoactivación de TiO2.

Los pasos de fabricación de los fotodetectores fotoconductores y fotoelectrónicos con una capa absorbente de Nb2O5 se muestran en la Fig. 1a-g, respectivamente. La Figura 1a muestra una oblea de silicio tipo p con un espesor de 430 μm a lo largo de la dirección (100). La superficie de silicio se limpió por el método RCA. Como se muestra en la Fig. 1b, se formó una capa de óxido sobre silicio con un espesor de 300 nm mediante oxidación térmica. La cantidad de dopaje fue de 11 a 13 Ω/cm y la densidad de corriente de fuga de la muestra de óxido fue de 0,205 A/m2. Como se muestra en la Fig. 1c, se depositó Nb de 30 nm en la capa de SiO2 mediante deposición física de vapor por haz de electrones. Luego, como se muestra en la Fig. 1d, se utilizó un proceso anódico para formar una capa absorbente de Nb2O5 de 81 nm sobre SiO2. Para la anodización de Nb se utilizó un electrolito compuesto por 1200 ml de etilenglicol C2H6O2, 800 ml de H2O y 160 g de (NH4) B5O6. La capa de Nb se conectó al polo positivo y el electrodo de platino, que estaba dentro de la solución de anodización, se conectó al polo negativo y se llevó a cabo el proceso de anodización. Como se muestra en la Fig. 1e, f, los electrodos entre dígitos se modelaron en la estructura mediante el proceso de litografía. Para ello, se utilizó una máscara de vidrio. El ancho de cada electrodo de metal era de 10 μm y el ancho del transistor (w) era de 5000 μm. La distancia entre dos electrodos de metal (longitud) fue de 12,5 μm, y el número de distancias (n) fue de 249. En consecuencia, como se muestra en la ecuación. (1), el ancho total del transistor es de 1245 mm.

donde WTotal es el ancho total del transistor, n es el número de distancias y w es el ancho del transistor.

(a–f) Pasos de fabricación de fotodetectores fotoconductores con una capa absorbente de Nb2O5 y (a–g) pasos de fabricación de fotodetectores con una capa absorbente de Nb2O5 y grafeno.

Para fabricar el fotodetector fotogating, todos los pasos son los mismos que se realizaron para el fotodetector fotoconductor; solo al final, como se muestra en la Fig. 1g, el grafeno se transfiere a la estructura fotoconductora final. En esta estructura se utilizó grafeno, producto de Graphene Company y cultivado mediante el método de deposición química de vapor (CVD)35,36.

La Figura 2 muestra las bandas de energía para las heteroestructuras de grafeno y Nb2O5. Al colocar la monocapa de grafeno sobre la capa de Nb2O5, debido a la diferencia en el nivel de Fermi de los dos materiales, se crea una barrera de potencial integrada entre los dos materiales. Luego, la radiación de luz en el rango de la banda prohibida de la capa de Nb2O5 conduce a la producción de un par electrón-hueco dentro de la capa de Nb2O5. Debido a la barrera de potencial entre la capa de grafeno y Nb2O5, los electrones se mueven hacia la capa de grafeno, pero los agujeros quedan atrapados dentro de la capa de Nb2O5. El atrapamiento de los agujeros cambia el nivel de energía de Fermi del grafeno y la resistencia del canal de grafeno, provocando una gran fotocorriente22,23,24,25,26.

(a) el nivel de energía del grafeno y el Nb2O5, (b) el nivel de energía del grafeno y el Nb2O5 cuando están unidos entre sí, (c) la radiación de luz ultravioleta y la producción de pares electrón-hueco en la capa de Nb2O5, y (d) la acumulación de agujeros detrás de la barrera de potencial incorporada en la interfaz grafeno/Nb2O5 y el cambio en el nivel de energía de Fermi del grafeno37.

El grafeno se transfirió a través de un método de transferencia húmeda en siete etapas, incluido el grabado de la capa de cobre, la preparación del sustrato y la transferencia de grafeno. El proceso comienza eliminando el grafeno no deseado que se coloca debajo de la capa de cobre durante el proceso de CVD. Este proceso se realizó en una solución de ácido nítrico al 20% en la que se mantuvo el sustrato durante unos cinco minutos. Luego, el cobre se grabó con cloruro de hierro (III) 0,2 M durante casi dos horas. Después de que RCA eliminó los residuos metálicos, el sustrato estaba listo para la transferencia de grafeno, pero antes de eso, se debe preparar el sustrato. A continuación, el sustrato se sumergió en una solución de piraña a 70 \(^\circ{\rm C}\) durante unos 15 min. Luego, el grafeno se transfirió al sustrato preparado. Se realizaron las siguientes dos etapas para aumentar la adhesión en la interfaz grafeno/sustrato y eliminar el poli(metacrilato de metilo) (PMMA). El sustrato se calentó moderadamente usando un calentador a una temperatura de 80 \(^\circ{\rm C}\) durante unos cinco minutos antes de someterlo a una temperatura más alta de 130 \(^\circ{\rm C}\) durante aproximadamente 20 min. A continuación, se dejó enfriar el sustrato durante unos minutos a temperatura ambiente. El proceso terminó eliminando el PMMA a través de una solución de N-metil-2-pirrolidona (NMP) a una temperatura de 70 \(^\circ{\rm C}\) durante unos 15 min.

La Figura 3 muestra las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM, Tescan VEGA3) del grafeno transferido a la capa de SiO2 y los electrodos entre dígitos a la capa de Nb2O5. La Figura 3a muestra los granos de la monocapa de grafeno que se recoció durante una hora a 550 ℃ y un vacío de 4,4 \(\times\) 10–6 Torr para eliminar los residuos de PMMA. La resistencia promedio de la lámina de grafeno se obtuvo por el método de van der Pauw. Se utilizó un dispositivo de medición de semiconductores HP4450 a un voltaje de 1 V y una corriente de 1 μ\(\mathrm{A}\). La resistencia laminar de la capa de grafeno era de alrededor de 1600 \(\pm 10\%\) ohmios/cuadrado. En la Fig. 3b se muestra un ejemplo del diseño de electrodos entre dígitos. La resistencia de contacto de los electrodos de grafeno y níquel se midió en aproximadamente 640 Ω μm ± 15 % utilizando el método de línea de transmisión (TLM). Afortunadamente, la resistencia de contacto fue lo suficientemente buena como para no afectar el proceso de fabricación del fotodetector, aunque sería mejor una resistencia de contacto más baja.

(a) Granos de grafeno monocapa y (b) una muestra de diseño de electrodos entre dígitos en la capa absorbente de Nb2O5.

En el efecto de fotoactivación, si una especie de los portadores generados queda atrapada, puede generar un campo eléctrico adicional, en forma de tensión de compuerta, para modular la conductancia del canal. Los fotodetectores de pequeñas dimensiones muestran una alta capacidad de respuesta. En el efecto fotovoltaico, los pares electrón-hueco producidos se recombinan en picosegundos. Sin embargo, el tiempo de vida de la portadora en el efecto fotovoltaico es mayor que en el efecto fotovoltaico, es decir, 1 s en comparación con alrededor de 20 ms27. La ganancia se puede obtener usando la Ec. (2). Como se puede concluir de esta ecuación, la capacidad de respuesta y la fotocorriente aumentan con el aumento del tiempo de atrapamiento y la disminución del intervalo de tiempo durante el cual los portadores pasan por el canal de grafeno (tiempo de tránsito). A medida que el canal de grafeno se vuelve más corto, la fotocorriente y la capacidad de respuesta aumentan, mientras que el área efectiva del fotodetector disminuye38.

El tiempo durante el cual los portadores de carga gratuita viajan desde el drenaje hasta la fuente se indica con "τtr" y el intervalo de tiempo durante el cual estos portadores de carga gratuita quedan atrapados cerca de las nanopartículas se indica con "vida útil".

Si la vida útil de un electrón extra es más larga que el tiempo de tránsito (τlife > τtr), el electrón extra llega al ánodo y otro electrón entra inmediatamente en el fotoconductor para mantener la carga neutral y se desplaza hacia la terminal del ánodo. Este proceso se repite hasta que el electrón adicional se recombina con un hueco. Este proceso toma τvida en promedio, y la ganancia es mayor que la unidad. Sin embargo, si τlife < τtr, el electrón adicional se recombina con un hueco antes de que se complete el tránsito. Para lograr una ganancia mayor que la unidad sin la producción de múltiples pares electrón-hueco, se necesita una potencia más alta por medio de un circuito externo. La ecuación (3) calcula la fotocorriente del fotodetector39.

donde \({C}_{ox}\) es el capacitor dieléctrico por unidad de área, y W y L son respectivamente el ancho y la longitud del canal de grafeno.

De la ecuación. (4), la fotocorriente neta es independiente del espesor de la película de SiO2, mientras que depende del tiempo de tránsito del portador y de la cantidad de carga eléctrica fotoinducida de la siguiente manera:

donde ∆Q es la cantidad de carga eléctrica fotoinducida y τtr es el tiempo de tránsito del portador en el canal de grafeno.

Como se muestra en la Ec. (5), la cantidad de corriente generada en este tipo de detector depende de α y d como se indica a continuación40.

donde \(\alpha\) es el coeficiente de absorción y d es el espesor de la capa absorbente.

Para aumentar la corriente se utilizan materiales con alto coeficiente de absorción ya que según la Ec. (6), al aumentar d, Cox disminuye. Además, según las Ecs. (7) y (8), la disminución de Cox reduce gm y, como resultado, disminuye la fotocorriente. Por lo tanto, el espesor de la capa absorbente, d, debe tener un límite óptimo, que es igual a 81 nm (Nb2O5) en el presente estudio. El factor de conversión de óxido a metal de Nb es 2,7, lo que significa que para 1 nm de Nb, se forman 2,7 nm de Nb2O5.

donde \(\varepsilon\) es la constante dieléctrica y \({\varepsilon }_{0}\) es la permitividad del vacío.

donde \({g}_{m}\) es la transconductancia dada de la siguiente manera:

donde VGS es el voltaje de control.

Algunas de las cifras de mérito (FOM) de los fotodetectores se evalúan ópticamente. Las características ópticas, salvo algunos casos especiales, se obtuvieron utilizando un láser de helio-cadmio a una potencia de 1 μW, una longitud de onda de 325 nm y una frecuencia chopper de 3 kHz. Como se muestra en la Fig. 4, para la caracterización óptica, la luz láser incide en un espejo y la luz reflejada llega a un interruptor y luego al fotodetector. La salida del detector está conectada a la entrada de un amplificador lock-in.

Montaje de caracterización óptica. La configuración incluye un láser, un divisor de haz, un amplificador de bloqueo (Bentham) y un interruptor óptico.

El uso de esta configuración óptica tiene dos ventajas. La primera ventaja es que se elimina el ruido ambiental, y la segunda ventaja es que con esta configuración se puede observar incluso la cantidad más baja de fotocorriente. Los fotodetectores fotoconductores y fotoelectrónicos con capas absorbentes de Nb2O5 y TiO2 se examinaron ópticamente.

Como se muestra en la Tabla 1, la capa de Nb se depositó sobre el sustrato de silicio mediante un dispositivo de haz de electrones y la capa de Nb2O5 se obtuvo anodizando con un factor de conversión de óxido a metal de 2,7. La capa de Ti se depositó sobre el sustrato de silicio por pulverización catódica y el TiO2 se obtuvo por el método de oxidación con un factor de conversión de óxido a metal de 1,7.

La Figura 5a muestra el perfil del detector fotoconductor de Nb2O5, y la Figura 5b muestra el perfil del detector fotoconductor de Nb2O5. Como se muestra en la Fig. 5, el voltaje de fuente de drenaje (VDS) se aplica a ambos extremos de la capa de grafeno y el voltaje de control (VGS) se aplica al sustrato de silicio a través de contactos óhmicos.

(a) Perfil del fotodetector fotoconductor de Nb2O5 y (b) Perfil del fotodetector fotorreductor de Nb2O5 y los puntos de conexión de VDS y VGS.

La figura 6a muestra la fotocorriente en μA frente al voltaje de la fuente de drenaje para los fotodetectores fotoconductores y de fotoactivación con la capa absorbente de Nb2O5. La fotocorriente del fotodetector fotoconductor aumenta de 0,533 a 0,64 μA. Al agregar grafeno, la fotocorriente aumenta de 7,87 a 12,69 μA en el rango de voltaje entre drenaje y fuente de 0,1 a 1,5 V. A medida que aumenta el valor de VDS, debido a la reducción de la barrera de potencial, los electrones viajan más fácilmente desde el Nb2O5 al grafeno, y en consecuencia, el aumento de Iph es mayor. En otras palabras, de acuerdo con la Ec. (6), con el aumento de VDS, gm y en consecuencia aumenta Iph. La Figura 6b muestra la relación porcentual de fotocorriente a corriente oscura para los fotodetectores fotoconductores y fotoelectrónicos con la capa absorbente de Nb2O5. Con el aumento del voltaje de la fuente de drenaje, la relación entre la fotocorriente y la corriente oscura disminuye, y el valor más bajo se observa en el voltaje de la fuente de drenaje con la mayor capacidad de respuesta, es decir, a 1,5 V. No solo la capacidad de respuesta cambia ligeramente con el aumento de voltaje, pero también un aumento adicional en VDS permite que pase mucha corriente a través del fotodetector y el dispositivo se calienta. Esto tiene un efecto adverso en el rendimiento del dispositivo. Como se muestra en la Fig. 6a, el valor de Iph tiene una relación directa con VDS, mientras que Idark depende no solo de VDS sino también de otros factores, como la vida útil del operador. Por lo tanto, la tendencia de la curva Iph/Idark resulta de las diferencias entre las pendientes de Iph e Idark. En los detectores fotoconductores y fotoelectrónicos, las proporciones porcentuales de fotocorriente a corriente oscura son 0,16 % y 2,84 %, respectivamente, a una longitud de onda de 325 nm, un VDS de 1,5 V y una potencia de 1 μW.

(a) Cambios en la fotocorriente en microamperios para los detectores fotoconductores y fotoautomáticos con capa absorbente de Nb2O5 versus voltaje de fuente de drenaje y (b) cambios en la relación porcentual de fotocorriente a corriente oscura de los detectores fotoconductores y fotoautomáticos con capa absorbente de Nb2O5 versus drenaje- voltaje de fuente para P = 1 μW y VGS = 1 V.

Se define un criterio simple para comparar la corriente oscura de los detectores fotoconductores y de fotoactivación a diferentes voltajes de fuente de drenaje. En la Fig. 7 se comparan las relaciones de la corriente oscura de los detectores. Esta figura muestra la relación entre la corriente oscura del fotodetector fotoconductor con Nb2O5 y la del TiO2 y la relación entre la corriente oscura del fotodetector de activación con Nb2O5 y la del TiO2, en comparación con el voltaje de la fuente de drenaje. En general, la relación entre la corriente oscura con la capa absorbente de Nb2O5 y la corriente oscura con la capa absorbente de TiO2 es más alta en el detector fotogating que en el detector fotoconductor. Las corrientes oscuras de los detectores de fotoconducción y fotoconductores con la capa de Nb2O5 son mejores que las de los detectores de fotoconducción y fotoconductores con la capa absorbente de TiO2.

Relación de la corriente oscura del fotodetector fotoconductor con Nb2O5 a la del TiO2 y la relación de la corriente oscura del fotodetector de fotoactivación con Nb2O5 a la del TiO2, versus el voltaje de la fuente de drenaje para P = 1 μW y VGS = 1 V.

La Figura 8 muestra las responsividades de cuatro fotodetectores fotoconductores y fotoelectrónicos con capas absorbentes de Nb2O5 y TiO2 en el rango VDS de 0,1 a 1,5 V. El fotodetector fotoelectrónico con la capa absorbente de Nb2O5 tiene la mayor capacidad de respuesta en todos los voltajes VDS. Además, las respuestas de los detectores fotoconductores no cambian significativamente con el aumento de VDS, a diferencia de los dos fotodetectores de fotocontrol. Sin embargo, debido al efecto de fotoactivación de los dos detectores (es decir, detectores con capas de Nb2O5/Gr y TiO2/Gr), aumenta el tiempo de captura del portador y, por lo tanto, aumentan la capacidad de respuesta y la fotocorriente. La capacidad de respuesta también depende del nivel de energía inicial de la capa de grafeno. A una tensión de drenaje-fuente de 1,5 V, la relación de respuesta del fotodetector de Nb2O5/Gr a la del fotodetector de TiO2/Gr es de aproximadamente 2, y la relación de la respuesta del fotodetector de Nb2O5 a la del fotodetector de TiO2 es de aproximadamente 1.5. Esto indica el mejor rendimiento de la capa absorbente de Nb2O5 en comparación con la capa absorbente de TiO2, mientras que ambas capas se fabricaron en las mismas condiciones de laboratorio.

Capacidad de respuesta de los fotodetectores de activación y fotoconducción (eje izquierdo). La relación entre la capacidad de respuesta del fotodetector de fotoconducción de Nb2O5 y la del fotodetector de fotoconducción de TiO2, y la relación de la capacidad de respuesta del fotodetector fotoconductor de Nb2O5 con la del fotodetector fotoconductor de TiO2 (eje derecho) a diferentes voltajes drenaje-fuente, P = 1 μW y VGS = 1 V.

Como se muestra en la Tabla 2, las capacidades de respuesta de los detectores de fotocontrol son mejores que las de los detectores fotoconductores. Las responsividades de ambos tipos de detectores con la capa absorbente de Nb2O5 son más altas que aquellos con la capa absorbente de TiO2. El valor de \({I}_{oscuro}^{{Nb}_{2}{O}_{5}/Gr}/{I}_{oscuro}^{Ti{O}_{2}/ Gr}\) de los detectores de disparo es mayor que el valor de \({I}_{oscuro}^{{Nb}_{2}{O}_{5}}/{I}_{oscuro}^{ Ti{O}_{2}}\) del detector fotoconductor.

La figura 9a muestra la capacidad de respuesta en términos de voltaje de puerta. Como se muestra en esta figura, las respuestas de los detectores fotoconductores no cambian significativamente con el aumento de VGS. Sin embargo, en los detectores de fotoactivación, el tiempo de atrapamiento de la portadora aumenta debido al efecto de fotoactivación, por lo que aumentan la capacidad de respuesta y la fotocorriente. La capacidad de respuesta también depende del nivel de energía inicial de la capa de grafeno. Por lo tanto, se demuestra que el aumento en la capacidad de respuesta del fotodetector con el aumento de VGS se debe a la transferencia de la capa de grafeno a la capa absorbente de TiO2.

(a) Capacidad de respuesta de los detectores fotoconductores y de fotoactivación frente al voltaje de la puerta a P = 1 μW y VDS = 0,5 V, y (b) curva azul (punto de Dirac), curva roja (responsabilidad) y curva verde (gm = ∂Id/ ∂Vg).

Como se muestra en la Fig. 9a, al aumentar el voltaje de la puerta, aumenta la capacidad de respuesta de los detectores de fotocontrol. Los puntos de Dirac de los detectores de fotoactivación de Nb2O5 y TiO2 están ubicados a 20 V y 15 V, respectivamente. En los puntos de Dirac, no solo los detectores de fotocontrol tienen la mayor capacidad de respuesta, sino que también las curvas tienen la pendiente más alta alrededor de los puntos de Dirac. Como se muestra en las curvas de los detectores de fotocontrol, un mayor aumento en el voltaje de la puerta tiene una tendencia a la baja y la capacidad de respuesta disminuye. La razón de esto se muestra en la Fig. 9b. En esta figura, la curva azul muestra la fotocorriente en términos del voltaje de puerta en el material de grafeno. El mínimo de la curva azul es el punto de Dirac. El voltaje de Dirac corresponde a cuando el número de electrones y huecos es el mismo. Como queda claro en la curva azul, en los voltajes de puerta que están lejos del punto de Dirac, la fotocorriente es independiente del voltaje de puerta, por lo que aumentar o disminuir el voltaje de puerta no afecta el valor de la fotocorriente. Como se muestra, la pendiente más pronunciada de la curva está cerca del punto de Dirac. De la ecuación. (8) y la curva verde, esta pendiente está en gm = ∂Id/∂Vg, y el máximo de la curva de responsividad, que se muestra en rojo, se ubica en los puntos con mayor pendiente.

Como se muestra en la Fig. 10, el ancho de banda de los fotodetectores fotoconductores y fotoelectrónicos con una capa absorbente de Nb2O5 se calculó como FOM. Con el aumento de la frecuencia, el criterio de respuesta de frecuencia no disminuye sustancialmente. Estos resultados indican que ambos fotodetectores se pueden utilizar en aplicaciones, como imágenes UV y muchos sistemas modernos, con un requisito de frecuencia de hasta 5 kHz.

Criterios de respuesta de frecuencia de los detectores fotoconductores y de fotoactivación con capa absorbente de Nb2O5 a P = 1 μW, VDS = 0,5 V y VGS = 1 V.

La Tabla 3 compara los detectores fotoconductores/fotorreductores con las capas absorbentes de Nb2O5/TiO2 (presentadas en este estudio) y los detectores anteriores presentados en otros artículos con los mismos materiales de capa absorbente. De acuerdo con esta tabla, los detectores con la capa absorbente de Nb2O5 tienen una mejor capacidad de respuesta que aquellos con la capa absorbente de TiO2. Los detectores Nb2O5 Nanobelts y Nb2O5 nanoplates tienen una mejor capacidad de respuesta que los detectores fotoconductores y de fotoactivación de Nb2O5 de película delgada. El detector de nanoplacas de Nb2O5 tiene una mejor capacidad de respuesta que el Nb2O5 Nanobelt, pero la fabricación del detector de Nb2O5 de película delgada es más sencilla que la de los detectores de nanoplacas y nanocinturones de Nb2O5.

Se utilizó una capa absorbente de Nb2O5 para fabricar un detector de grafeno basado en el efecto de fotoactivación. Además, se empleó un proceso de anodizado para producir esta capa absorbente a partir de una fina capa de Nb. Estos procesos no han sido realizados en la literatura y fueron presentados en este estudio por primera vez. Vale la pena señalar que, en comparación con los fotodetectores con una capa absorbente de TiO2, los fotodetectores con una capa absorbente de Nb2O5 funcionaron mejor en términos de costo, simplicidad del proceso de fabricación y alto valor de capacidad de respuesta. Con radiación láser de 325 nm, 1 μW de potencia, a un voltaje de fuente de drenaje de 1,5 V y un voltaje de puerta de 1 V, las respuestas de los detectores fotoconductores y de fotocontrol con la capa absorbente de TiO2 fueron 0,45 A/W y 8,32 A. /W, respectivamente, mientras que las responsividades de los detectores fotoconductores y de fotoactivación con la capa absorbente de Nb2O5 fueron de 0,65 A/W y 12,69 A/W, respectivamente. Además, las proporciones porcentuales de la fotocorriente a la corriente oscura de los detectores fotoconductores y fotoelectrónicos con la capa absorbente de TiO2 fueron 0,003 % y 0,111 %, respectivamente. Sin embargo, las proporciones porcentuales de la fotocorriente a la corriente oscura de los detectores fotoconductores y fotoelectrónicos con la capa absorbente de TiO2 fueron 0,16 % y 2,84 %, respectivamente. Por lo tanto, las responsividades y las proporciones porcentuales de la fotocorriente a la corriente oscura en los detectores con la capa absorbente de Nb2O5 fueron mejores que los detectores con la capa absorbente de TiO2.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Los autores desean agradecer al Ministerio de Educación.

Universidad Tecnológica Malek Ashtar, Teherán, Irán

Zahra Sadeghi Neisiani, Mahdi Khaje y Abdollah Eslami Majd

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La idea principal ha sido sugerida por MK y ZSN; Conceptualización del manuscrito: MK Investigación, metodología y validación: MK, ZSN y AEM; Redacción del manuscrito principal: ZSN; Revisión y edición: AEM y MK

Correspondencia a Abdollah Eslami Majd.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Sadeghi Neisiani, Z., Khaje, M. & Eslami Majd, A. Comparación experimental entre detectores UV GFET fotoconductores y fotoactivadores basados ​​en Nb2O5 y TiO2. Informe científico 13, 7104 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34295-5

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Recibido: 12 de marzo de 2023

Aceptado: 27 de abril de 2023

Publicado: 02 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34295-5

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