CC BY
6
Сверхбыстрый высокочувствительный гибкий детектор инфракрасного излучения
А.Р. Рымжина1, П. Шарма ',2, В.В. Подлипнов13, Д.Н. Артемьев1, К.Н. Тукмаков1, В. С. Павельев13,
В.И. Платонов1, П. Мишра 1'4, Н. Трипати1 1 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34;
2 School of Electronics Engineering (SENSE), Vellore Institute of Technology (VIT), 632014, India, Vellore, Tamil Nadu;
3 Институт систем обработки изображений, НИЦ «Курчатовский институт», 443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151;
4 Centre for Nanoscience and Nanotechnology, Jamia Millia Islamia (A Central University), 110025, India, Jamia Nagar, New Delhi
Аннотация
Проведен сравнительный анализ гибких фотодетекторов на основе листов TiS2 и функ-ционализированных нитратом серебра листов TiS2. Листы TiS2 синтезированы методом химического транспорта, обработаны ультразвуком в течение 1 ч и осаждены между хромовыми встречно--штыревыми электродами на поверхности гибкой подложки из полиэтилен-терефталата. Характеристики изготовленных фотодетекторов определены путём их равномерного освещения 1064 нм лазерным излучением с перестраиваемой мощностью. Явно прослеживается значительное влияние частиц нитрата серебра, рассеянных в объеме чувствительного материала фотодетектора, на его эффективность. Продемонстрировано превосходство фотодетектора на основе функционализированных листов TiS2. Данный фотодетектор демонстрирует значительный отклик для всех использованных мощностей излучения (11,6, 19,6, 51, 100 и 150 мВт/см2), показывает малое время отклика (0,23 ± 0,01 с) и восстановления (0,49 ± 0,02 с) вкупе с высокой чувствительностью ((260 ± 7)-103 А/Вт), квантовой эффективностью ((303 ± 8)-103 А/Вт-нм) и обнаружительной способностью ((3,10 ± 0,09)-1013 Джонс) при мощности падающего излучения 11,6 мВт/см2. Полученные результаты могут быть использованы для разработки и оптимизации современных опто-электронных устройств.
Ключевые слова: гибкий фотодетектор, дихалькогениды переходных металлов, TiS2, инфракрасное излучение, диэлектрофорез, химический транспорт.
Цитирование: Рымжина, А.Р. Сверхбыстрый высокочувствительный гибкий детектор инфракрасного излучения / А.Р. Рымжина, П. Шарма, В.В. Подлипнов, Д.Н. Артемьев, К.Н. Тукмаков, В.С. Павельев, В.И. Платонов, П. Мишра, Н. Трипати // Компьютерная оптика. - 2024. - Т. 48, № 3. - С. 363-370. - DOI: 10.18287/2412-6179-C0-1325.
Citation: Rymzhina AR, Sharma P, Podlipnov VV, Artemyev DN, Tukmakov KN, Pavelyev VS, Platonov V, Mishra P, Tripathi N. Ultra-fast highly sensitive flexible infrared detector. Computer Optics 2024; 48(3): 363-370. DOI: 10.18287/2412-6179-C0-1325.
Введение
Оптические детекторы являются ключевым компонентом многих ежедневно используемых устройств [1 - 2]. Сегодня производство ткани со встроенными гибкими электронными устройствами представляет собой популярное направление исследований [3].
Основная проблема существующей технологии ИК-детектирования заключается в том, что мониторинг в ИК-диапазоне с приемлемым разрешением на больших расстояниях требует большого массива чувствительных элементов. Если же используется небольшой массив чувствительных элементов, то время обнаружения увеличивается, что не удовлетворяет потребностям современных оптоэлектронных устройств [4]. Сегодня быстро развивается потребность в гибких фотодетекторах для носимой электро-
ники и летательных аппаратов [2]. Гибкие датчики будут играть ключевую роль в будущей медицинской диагностике и физиологическом мониторинге, а также для ранней диагностики путем непрерывного мониторинга состояния здоровья пациентов. ИК-детекторы способны измерять не только температуру окружающих объектов, но и состав газа путем отслеживания способности проверяемого газа поглощать/снижать интенсивность ИК-излучения. Гибкие фотодетекторы могут принимать необходимые изгибы без изменения технологических процессов, как происходит в случае с фотодетекторами на жестких и хрупких подложках. Большие непрерывные области гибких фотодетекторов на космическом корабле облегчат измерения температуры и определение состава газов, что критически важно для оценки остаточной атмосферы [2]. Были проведены многочисленные ис-
следования по разработке неплоских ИК-матриц с использованием чувствительных элементов из кремния и Мо82 [5]. Преимущественно используемые чувствительные элементы фотодетекторов основаны на кристаллических эпитаксиальных материалах. Для выращивания таких структур и создания соответствующих устройств требуются жесткие и хрупкие подложки с согласованной решеткой. По этой причине данные материалы нельзя сгибать или сжимать. Известны гибкие ИК-детекторы, основанные на композите из перовскита и сопряженного полимера [6], РЬ8 и углеродных квантовых точках/графене [7], пленке из микросфер из листов 8п82 [8], графене [7, 9], нанопроволоках 8Ь8е3 [10], восстановленном оксиде графена [11], графеновых нанолентах [12] и коллоидных квантовых точках Н^Те [13].
Тем не менее большая часть исследованных материалов демонстрирует ограниченные спектральные диапазоны чувствительности (< 1 мкм) [7 - 13], низкий отклик [6, 8 - 12] и низкую скорость отклика [6 -12], что препятствует их практическому применению. Сегодня ведутся активные исследования ди-халькогенидов переходных металлов (ДПМ) для разработки ИК-детекторов с улучшенными характеристиками фотодетектирования [14 - 37]. Причиной такого интереса к ДПМ стал ряд их преимуществ по сравнению с другими материалами для фотодетектирования. Например, атомарная толщина делает такие материалы почти прозрачными, что может быть использовано при создании «умной ткани». Кроме того, такая малая толщина также отвечает за эффекты размерного квантования вне плоскости и вызывает сильносвязанные экситоны, которые приводят к увеличению эффективности поглощения излучения [14]. Более того, ширина запрещенной зоны (ШЗЗ) ДПМ может быть отрегулирована путём изменения количества слоев материала для модуляции края оптического поглощения [14]. Сегодня широко изучаются такие халькогениды переходных металлов, как Мо82 [15], Мо8е2 [16], WS2 [17], WSe2 [18], ваТе [19], ва8е [20], ва8 [21], 1п28ез [22], 1п8е [23], 8п82 [8], Т18з [24], 2г8з [25], Ш83 [26] и черный фосфор (ВР) [27]. Фотодетекторы на основе однослойного Мо82 могут обнаруживать только излучение видимого спектра. В случае с малослойным Мо82 спектральный диапазон расширяется до ближнего ИК [15]. Фотодетекторы на основе Мо8е2 демонстрируют чувствительность от 0,26 мА/Вт до 13 мА/Вт [16, 28]. Главный недостаток этого материала заключается в том, что время отклика фотодетектора на его основе составляет несколько десятков мс. Часть широко исследуемых ДПМ работает в УФ-видимом диапазоне [29, 21]. Некоторые из исследованных ДПМ демонстрируют отклик преимущественно в видимом диапазоне спектра [29, 19, 26]. Многие ДПМ могут работать как чувствительные элементы в диапазоне от видимого до ближнего ИК-излучения [28, 23, 8, 24, 25]. Некоторые ДПМ могут
перекрывать более широкий спектральный диапазон излучения, такой как УФ-ближний ИК [22] и види-мый-ИК [28]. Наноленты Т183, соединения А3В6 и А4В6, такие как ваТе или 8п82, демонстрируют как большую чувствительность, так и малое время отклика [28 - 29]. Основные проблемы упомянутых материалов: узкий рабочий диапазон длин волн, в частности, малое поглощение в ИК-диапазоне спектра, большое время отклика. Кроме того, кремниевая технология, использованная в [22, 23, 28], обладает рядом недостатков, одним из которых является жесткость и хрупкость устройств.
Для преодоления упомянутых проблем с существующими материалами необходимо исследовать новые материалы для фотодетектирования. Одним из перспективных материалов для разработки гибких ИК-детекторов является дисульфид титана (Т182). Главным образом, интерес к данному материалу возник из-за величины его прямой ШЗЗ и из-за эффектов размерного квантования вне плоскости, приводящих к увеличению эффективности оптического поглощения [14]. Меньшая ШЗЗ материала говорит о том, что такой материал сможет детектировать излучение с меньшей энергией фотона, то есть с большей длиной волны. Прямая ШЗЗ Т182 меньше, чем у упомянутых выше материалов и находится в диапазоне от 0,2 до 0,9 эВ, что свидетельствует о ее зависимости от структуры и о возможности поглощать излучение в ИК-диапазоне спектра [30 - 32]. Т182 в однослойной и малослойной формах представляет собой прозрачный материал, который может найти применение при изготовлении ткани со встроенными электронными компонентами [30]. Кроме того, процесс изготовления устройств на основе ДПМ преимущественно осуществляется методом механического отшелушивания.
Целью данной работы является решение упомянутых проблем путём разработки гибкого ИК-фотодетектора на основе нового материала Т182.
1. Синтез листов Т$2 и их функционализация
Листы Т182 были изготовлены по технологии химического транспорта. Для этого порошок титана (99,95 %) и серы (99,99 %) смешивают в соотношении 1:2, отбирают в кварцевую ампулу, запаивают при давлении 2^10 -5 мбар и выдерживают 24 ч при температуре 650°С. Далее ампула остывает при комнатной температуре, после чего ее вскрывают и собирают синтезированный материал. Морфология, структурное качество и элементный состав полученного материала проанализированы с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с полевым эмиттером, просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) высокого разрешения, рамановской спектроскопии, дифракционного рентгеновского анализа и энергорассеивающей рентгеновской спектроскопии. Подробности анализа данного материала представлены в одной из наших предыдущих работ [33]. На рис. 1 представлено изображение синтезиро-
ванных структур 1182, представляющих собой листы правильных шестиугольников.
Рис. 1. Синтезированные листы Т1Б2. Изображение получено с помощью СЭМ с полевым эмиттером
Далее была проведена функционализация Т182 нитратом серебра (AgNOз). Для этого 25 мг Т182
смешали с 1 мг AgNOз в 50 мл изопропилового спирта и обработали ультразвуком в течение 1 ч. Далее раствор нанесли каплями на подложки из кремния для последующего анализа с помощью СЭМ и рама-новской спектроскопии (рис. 2а,б). Как видно из рис. 2а, AgNOз равномерно распределился в объеме структур Т182. На рамановском спектре (рис. 2б) отчетливо видны две рамановские активные моды Т182, состоящие из плоскостной колебательной моды при ~210 см-1 и внеплоскостной моды (А^) при ~350 см -1 и «плечевой пик» 8И при ~377 см -1 при использовании 532 нм возбуждающего лазера, что согласуется с ранее сообщаемыми результатами для чистого Т182 [33]. Из рамановских спектров образцов видно, что после функционализации величина и ширина пиков Т182 значительно увеличилась, что говорит о существенном влиянии AgNOз на свойства полученного композита. Таким образом, проведенный анализ подтвердил функционализацию листов Т182 нитратом серебра.
300 400
О.) б) Волиовое число, см"1
Рис. 2. СЭМ-изображение листов Т182 после функционализации нитратом серебра (а) и рамановские спектры листов Т182 до (линия 1) и после (линия 2) функционализации нитратом серебра (б)
со встречно-штыревыми электродами (ВШЭ). В качестве подложки фотодетектора взят полиэтилентере-фталат (ПЭТ). ВШЭ из хрома (Сг) толщиной 100 нм изготовлены методом фотолитографии (рис. 3 а). Геометрия и размеры ВШЭ представлены на рис. 3б.
Во время осаждения дисперсии между ВШЭ подавался переменный ток частотой 1 МГц при напряжении 10 В от пика до пика. Форма сигнала представляла собой меандр. Благодаря возникшему явлению ди-электрофореза листы Т182 выровнялись между ВШЭ.
Рис. 3. Хромовые чипы на гибкой ПЭТ-подложке (а) и их геометрия (б)
2. Разработка устройств
Гомогенные дисперсии чистых и функционализи-рованных листов Т182 были подготовлены и обработаны 1 ч ультразвуком в изопропиловом спирте. Обработанные дисперсии наносили на гибкую подложку
3. Тестирование гибких фотодетекторов
Для проведения экспериментов по фотодетектированию использовался 1064 нм лазер с перестраиваемой мощностью. Чтобы исследовать влияние напряжения смещения на работу фотодетекторов, были проведены эксперименты по фотодетектированию при напряжениях 5, 7,5 и 10 В. Для этого фотодетектор был последовательно подключен к мультиметру и источнику питания. Далее на образец наводился пучок лазерного излучения.
При взаимодействии лазерного излучения с чувствительным материалом фотодетектора ток, регистрируемый мультиметром, скачкообразно возрастал. Когда ток выходил на плато, излучение перекрывалось перегородкой и ток скачкообразно возвращался на исходный уровень. Так был проведен ряд циклов детектирования излучения, после чего напряжение смещения изменялось и весь процесс измерений повторялся. Также были сняты вольтамперные характеристики (ВАХ) разработанных фотодетекторов. Для этого на образец подавалось напряжение от -10 В до 10 В с шагом 0,5 В в секунду.
Ток, протекающий через образец, регистрировался мультиметром. ВАХ сняты в отсутствие излучения и при непрерывном освещении образца с плотностями мощности, использованными в экспериментах по фотодетектированию .
4. Обсуждение результатов
Из ВАХ фотодетектора на основе чистых листов Т182 (рис. 4а) видно, что с повышением плотности мощности излучения растет и ток, протекающий через чувствительный элемент фотодетектора.
6,0x10"8 -0 мВт/см2
-32 мВт/см2
4,0x10 s -51 мВт/см2
-100 мВт/см"
2,0x10"8 . -150 мВт/см"
< 0,0
-2,0x10'8
-4,0x10"8
-6,0x10"8
\ -10 а)
Рис. 4. ВАХ фотодетектора на основе листов TiS2 (а) и изменение фототока в зависимости от плотности мощности падающего излучения по времени при напряжении смещения 5 В (линия А), 7,5 В (линия Б) (б) и 10 В (в)
Существует три режима работы фотодетекторов: фотогальванический, фототермоэлектрический и фо-топроводящий [28]. На рис. 4а нет тока короткого замыкания, фотодетектор равномерно освещается лазерным лучом, вследствие чего возникающие токи протекают в противоположных направлениях и компенсируют друг друга на разделе между чувствительным материалом и материалом контактов, что исключает возможность генерации фототока за счет фотогальванического и фототермоэлектрического эффектов [28]. Поэтому фототок данного фотодетектора генерируется за счет явления фотопроводимости.
На рис. 4б, в представлены зависимости фототока по времени при облучении фотодетектора лазерным излучением различной мощности при различном напряжении смещения. Как видно из рис. 4б, в, разработанный фотодетектор стабилен и способен генерировать стабильный фототок в повторяющихся циклах детектирования. Резкие изменения фототока демонстрируют способность листов Т182 обнаруживать излучение различной мощности. На рис. 4 б из линии А видно, что фотодетектор дает отклик на излучение мощностью 51, 100 и 150 мВт/см2 (линии 1, 2, 3) при напряжении 5 В. При увеличении напряжения смещения фотодетектор способен детектировать излучение более низкой мощности. Как видно из рис.4б (линия Б) и рис.4в, при напряжениях 7,5 и 10 В фотодетектор способен детектировать излучение мощностью от 32 до 150 мВт/см2 (линии 1- 4). При повышении напряжения смещения наблюдался рост фототока. При напряжении 10 В и излучении мощностью 150 мВт/см2 фототок составил (3,38 ± 0,10)-10 8 А. Время отклика и восстановления составило 2,43 ± 0,07 с и 1,22 ± 0,03 с соответственно. Максималь-
ное значение чувствительности (644,45 ± 19,33 А/Вт), квантовой эффективности (752,49 ± 22,57 А/Вт-нм) и об-наружительной способности ((7,68 ± 0,23) -1010 Джонс) наблюдалось при плотности мощности излучения 32 мВт/см2. Замечено, что указанные параметры уменьшаются с увеличением мощности излучения.
Далее были проведены исследования фотодетектора на основе листов Т182, функционализированных AgN0з (TiS2-AgN0з) (рис. 5а, б). ВАХ, представленные на рис.5 а, подтверждают тот же механизм генерации фототока, что и у чистого образца ^82. Однако токи на ВАХ у данного образца выше на 4 порядка. На рис. 5б представлены зависимости фототока по времени при облучении фотодетектора лазерным излучением различной мощности при различном напряжении смещения. Как видно из рис. 5 б, разработанный фотодетектор хорошо стабилен и способен генерировать стабильный фототок в повторяющихся циклах детектирования. На рис. 5 б линии 1- 5 соответствуют плотностям мощности падающего излучения величиной 11,6, 19,6, 51, 100 и 150 мВт/см2. Из рис. 5 б (линия А) видно, что разработанный фотодетектор способен обнаруживать излучение малой мощности даже при напряжении смещения 5 В. При повышении напряжения наблюдается увеличение фототока и темнового тока. При напряжении смещения 10 В и падающем излучении 150 мВт/см2 фототок образца составил 0,14-10 4 ± 0,43^ 10-6 А, что в 426 раз выше, чем у чистого образца ^82. Время отклика и восстановления фотодетектора составило 0,23 ± 0,01 с и 0,49 ± 0,02 с. Отношение уровней тока во включённом и выключенном состояниях обоих (TiS2-AgN0з и чистого ^82) фотодетекторов лежит в диапазоне 1,5.
Максимальное значение чувствительности ((260 ± 7) 103 А/Вт), квантовой эффективности ((303 ± 8)^103 А/Втнм) и обнаружительной способности ((3,10 ± 0,09)1013 Джонс) фотодетектора на Ti82-AgNOз наблюдалось при мощности излучения 11,6 мВт/см2.
Сравнение полученных данных позволяет заключить, что фотодетектор на основе TiS2-AgNOз значи-
тельно более эффективен и чувствителен по сравнению с фотодетектором на чистых листах ^82 из-за возникновения плазмонных эффектов [34].
Сравнение характеристик созданного фотодетектора с характеристиками известных фотодетекторов на основе низкоразмерных материалов приведено в табл. 1.
Рис. 5. ВАХ фотодетектора на основе функционализированных AgNOз листов Т182 (а) и изменение фототока в зависимости от мощности падающего излучения по времени при напряжении смещения 5 В (линия А), 7,5 В (линия Б) и 10 В (линия В) (б)
Табл. 1. Сравнительная таблица некоторых материалов для фотодетектирования
№ Материал Длина волны, нм Плотность мощности, мВт/см2 Фототок, А Время отклика, с Время восстановления, с Чувствительность, А/Вт Обнаружительная способность, Джонс Источник
1. ^82+^ AgNOз 1064 11,6 0,14 -10 4 ± 0,4310 -6 0,23 ± 0,01 0,49 ±0,02 260 103 ± 7103 3,101013 ± 0,091013 Данная работа
2. Малослойный ТС82 455 79,2 13,41410 -6 0,3 0,18 1,174 • 104 3,039 • 1011 [33]
3. Выровненные наноленты ^8з 1064 340 12,7610-3 1,53 0,74 5,22 • 102 1,69 • 109 [35]
4. Невыровненные наноленты ^8з 405 810 310-9 8 ± 2 8 ± 2 3,8 • 10 -3 - [36]
5. Монослойный МО8^ ПТ 532 0,13 1010-6 ~ 20 ~ 3 780 - [37]
6. Многослойный МО8^ ПТ 532 2 3,3110-6 ~ 1 ~ 1 342,6 - [38]
7. Многослойный МО8^ ПТ 633 50 ~ 610-9 ~ 1 ~ 1 0,12 ~ 5 • 1010 [39]
8. М082 ПТ 550 52,5 ~ 110-6 5 65 ~ 3 - [40]
9. Мо82/Яе82 633 8,15 ~ 4510 9 ~ 25 ~ 40 6,75 - [41]
10. 8п8е2/Мо82 500 4,51 ~ 7^10-6 0,2 0,6 9,1 • 103 9,3 • 1010 [42]
11. Монослойный Ш82 500 3,68 ~ 5010 9 0,37 5,2 3,07 - [43]
12. Рё8е2/Ш82 1550 74,0 ~ 0,610 9 0,93 0,97 0,019 • 10-3 - [44]
13. Яе82/Яе8е2 633 1,550 ~ 0,03-10 -6 4,1 4,7 1,1 • 104 1,8 • 1015 [45]
14. Мо82/Яе82 633 8,15 ~ 4510 9 ~ 25 ~ 40 6,75 - [41]
15. Яе8е2 808 566 0,43210 -6 5,47 8,41 2,98 - [46]
16. р-МоТе2 220 11 0,1110-6 6 6,4 ~ 200 - [47]
17. Обработанный п-МоТе2 220 11 0,71310 -6 1,1 2,2 ~ 1100 - [47]
18. Обработанный р-МоТе2 220 11 ~ 1210 9 0,9 1,9 ~ 1 - [47]
19. Пленка И8х/сапфир 532 1,610 -3 0,16210 -6 1,052 1,374 0,31 9,17 • 109 [48]
20. Хлопья Р182 500 3,107 ~ 6010 9 0,46 0,46 1,56 • 103 2,9 • 1011 [49]
Заключение
Разработанные фотодетекторы на основе чистых и функционализированных AgNOз листов ^82 демонстрируют воспроизводимые результаты фотодетекти-
рования. Характеристики изготовленного фотодетектора на основе TiS2-AgNOз в виде чувствительности ((260 ± 7) 103 А/Вт), квантовой эффективности ((303 ± 8)-103 А/Вт-нм) и обнаружительной способности ((3,10 ± 0,09)^ 1013 Джонс) значительно лучше, чем
у фотодетектора на чистых листах TiS2. Кроме того, ряд характеристик данного фотодетектора превосходит аналогичные характеристики известных фотодетекторов на основе других халькогенидов переходных металлов.
Благодарности
Синтез наноматериалов и наноструктур, эксперименты по фотодетектированию, рамановская спектроскопия и анализ всех полученных в данной работе результатов выполнены за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-00272,
https://rscf.ru/project/21-79-00272/.
Исследования морфологии синтезированных наноструктур на наноуровне были проведены методом сканирующей электронной микроскопии при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках НИР лаборатории «Фотоника для умного дома и умного города» (Государственный контракт с Самарским национальным исследовательским университетом имени академика С.П. Королева) (проект ФССС-2021-0016).
References
[1] Abid, Sehrawat P, Islam SS, Gulati P, Talib M, Mishra P, Khanuja M. Development of highly sensitive optical sensor from carbon nanotube-alumina nanocomposite freestanding films: CNTs loading dependence sensor performance analysis. Sens Actuator A Phys 2018; 269: 62-69. DOI: 10.1016/j.sna.2017.10.062.
[2] Segev-Bar M, Haick H. Flexible sensors based on nanopar-ticles. ACS Nano 2013; 7(10): 8366-8378. DOI: 10.1021/nn402728g.
[3] Abid, Sehrawat P, Julien CM, Islam SS. WS2 quantum dots on e-textile as a wearable UV photodetector: How well reduced graphene oxide can serve as a carrier transport medium? ACS Appl Mater Interfaces 2020; 12(35): 39730-39744. DOI: 10.1021/acsami.0c08028.
[4] Colace L, Masini G, Galluzzi F, Assanto G, Capellini G, Gaspare LDi, Palange E, Evangelisti F. Metal-semiconductor-metal near-infrared light detector based on epitaxial Ge/Si. Appl Physi Lett 1998; 72(24): 3175-3177. DOI: 10.1063/1.121584.
[5] Choi C, Choi MK, Liu S, Kim MS, Park OK, Im C, Kim J, Qin X, Lee GJ, Cho KW, Kim M, Joh E, Lee J, Son D, Kwon SH, Jeon NL, Song YM, Lu N, Kim DH. Human eye-inspired soft optoelectronic device using high-density MoS2-graphene curved image sensor array. Nat Commun 2017; 8: 1664. DOI: 10.1038/s41467-017-01824-6.
[6] Chen S, Teng C, Zhang M, Li Y, Xie D, Shi G. A flexible UV-Vis-NIR photodetector based on a perov-skite/conjugated-polymer composite. Adv Mater 2016; 28: 5969. DOI: 10.1002/adma.201600468.
[7] Sun Z, Liu Z, Li J, Tai G, Lau SP, Yan F. Infrared photo-detectors based on CVD-grown graphene and PbS quantum dots with ultrahigh responsivity. Adv Mater 2012; 24: 5878. DOI: 10.1002/adma.201202220.
[8] Tao Y, Wu X, Wang W, Wang J. Flexible photodetector from ultraviolet to near infrared based on a SnS2 nanosheet microsphere film. J Mater Chem C 2015; 6: 1347. DOI: 10.1039/C4TC02325K.
[9] Sahatiya P, Puttapati SK, Srikanth VVSS, Badhulika S. Graphene-based wearable temperature sensor and infrared photodetector on a flexible polyimide substrate. Flex Print Electron 2016; 1(2): 025006. DOI: 10.1088/20588585/1/2/025006.
[10] Chen G, Wang W, Wang C, Ding T, Yang Q. Controlled synthesis of ultrathin Sb2Se3 nanowires and application for flexible photodetectors. Adv Sci 2015; 2: 1500109. DOI: 10.1002/advs.201500109.
[11] Chitara B, Panchakarla LS, Krupanidhi SB, Rao CNR. Infrared photodetectors based on reduced graphene oxide and graphene nanoribbons. Adv Mater 2011; 23: 5419-5424. DOI: 10.1002/adma.201101414.
[12] Zheng Z, Zhang T, Yao J, Zhang Y, Xu J, Yang G. Flexible, transparent and ultra-broadband photodetector based on large-area WSe2 film for wearable devices. Nanotech-nology 2016; 27: 255501. DOI: 10.1088/09574484/27/22/225501.
[13] Hao Q, Tang X, Cheng Y, Hu Y. Development of flexible and curved infrared detectors with HgTe colloidal quantum dots. Infrared Phys Technol 2020; 108: 103344. DOI: 10.1016/j.infrared.2020.103344.
[14] Mak KF, Lee C, Hone J, Shan J, Heinz TF. atomically thin MoS2: a new direct-gap semiconductor. Phys Rev Lett 2010; 105: 136805. DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.136805.
[15] Buscema M, Barkelid M, Zwiller V, Zant HSJ, Steele GA, Castellanos-Gomez A. Large and tunable photothermoelec-tric effect in single-layer MoS2. Nano Lett 2013; 13(2): 358-363. DOI: 10.1021/nl303321g.
[16] Chang YH, Zhang W, Zhu Y, Han Y, Pu J, Chang JK, Hsu WT, Huang JK, Hsu CL, Chiu MH. Monolayer MoSe2 grown by chemical vapor deposition for fast photodetec-tion. ACS Nano 2014; 8(8): 8582-8590. DOI: 10.1021/nn503287m.
[17] Perea-Lopez N, Elias AL, Berkdemir A, Castro-Beltran A, Gutierrez HR, Feng S, Lv R, Hayashi T, Lopez-Urias F, Ghosh S, Muchharla B, Talapatra S, Terrones H, Terrones M. Photosensor device based on few-layered WS2 films. Adv Funct Mater 2013; 23: 5511. DOI: 10.1002/adfm.201300760.
[18] Groenendijk DJ, Buscema M, Steele GA, Michaelis de Vasconcellos S, Bratschitsch R, Zant HSJ, Castellanos-Gomez A. Photovoltaic and photothermoelectric effect in a double-gated WSe2 device. Nano Lett 2014; 14(10): 58465852. DOI: 10.1021/nl502741k.
[19] Liu F, Shimotani H, Shang H, Kanagasekaran T, Zolyomi V, Drummond N, Fal'ko VI, Tanigaki K. High-sensitivity photodetectors based on multilayer GaTe flakes. ACS Nano 2014; 8(1): 752-760. DOI: 10.1021/nn4054039.
[20] Hu P, Wen Z, Wang L, Tan P, Xiao K. Synthesis of few-layer GaSe nanosheets for high performance photodetec-tors. ACS Nano 2012; 6(7): 5988-5994. DOI: 10.1021/nn300889c.
[21] Hu P, Wang L, Yoon M, Zhang J, Feng W, Wang X, Wen Z, Idrobo JC, Miyamoto Y, Geohegan DB, Xiao K. Highly responsive ultrathin GaS nanosheet photodetectors on rigid and flexible substrates. Nano Lett 2013; 13(4): 1649-1654. DOI: 10.1021/nl400107k.
[22] Jacobs-Gedrim RB, Shanmugam M, Jain N, Durcan CA, Murphy MT, Murray TM, Matyi RJ, Moore RL, Yu B. Extraordinary photoresponse in two-dimensional In2Se3 nanosheets. ACS Nano 2014; 8(1): 514-521. DOI: 10.1021/nn405037s.
[23] Lei S, Ge L, Najmaei S, George A, Kappera R, Lou J, Chhowalla M, Yamaguchi H, Gupta G, Vajtai R. Evolution of the electronic band structure and efficient photo-
detection in atomic layers of InSe. ACS Nano 2014; 8(2): 1263-1272. DOI: 10.1021/nn405036u.
[24] Tripathi N, Pavelyev V, Sharma P, Kumar S, Rymzhina A, Mishra P. Review of titanium trisulfide (TiS3): A novel material for next generation electronic and optical devices. Mater Sci Semicond Process 2021; 127: 105699. DOI: 10.1016/j.mssp.2021.105699.
[25] Tao YR, Wu XC, Xiong WW. Flexible visible-light pho-todetectors with broad photoresponse based on ZrS3 nano-belt films. Small 2014; 10: 4905. DOI: 10.1002/smll.201401376.
[26] Schairer W, Shafer MW. Growth and optical absorption spectra of the layer-type trichalcogenides ZrS3 and HfS3. Phys Status Solidi (a) 1973; 17: 181. DOI: 10.1002/pssa.2210170119.
[27] Buscema M, Groenendijk DJ, Steele GA, Zant HS, Castellanos-Gomez A. Photovoltaic effect in few-layer black phosphorus PN junctions defined by local electrostatic gating. Nat Commun 2014; 5: 4651. DOI: 10.1038/ncomms5651.
[28] Buscema M, Island JO, Groenendijk DJ, Blanter SI, Steele GA, Zant HSJ, Castellanos-Gomez A. Photocurrent generation with two-dimensional van der Waals semiconductors. Chem Soc Rev 2015; 44: 3691. DOI: 10.1039/C5CS00106D.
[29] Wan C, Kodama Y, Kondo M, Sasai R, Qian X, Gu X, Koga K, Yabuki K, Yang R, Koumoto K. Dielectric Mismatch mediates carrier mobility in organic-intercalated layered TiS2. Nano Lett 2015; 15(10): 6302-6308. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b01013.
[30] Sherrell PC., Sharda K, Grotta C, Ranalli J, Sokolikova MS, Pesci FM, Palczynski P, Bemmer VL, Mattevi C. Thickness-dependent characterization of chemically exfoliated TiS2 nanosheets. ACS Omega 2018; 3(8): 86558662. DOI: 10.1021/acsomega.8b00766.
[31] Glebko N, Aleksandrova I, Tewari GC, Tripathi TS, Karp-pinen M, Karttunen AJ. Electronic and vibrational properties of TiS2, ZrS2, and HfS2: periodic trends studied by dispersion-corrected hybrid density functional methods. J Phys Chem C 2018; 122(47): 26835-26844. DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b08099.
[32] Varma SJ, Kumar J, Liu Y, Layne K, Wu J, Liang C, Nakanishi Y, Aliyan A, Yang W, Ajayan PM., Thomas J. 2D TiS2 layers: a superior nonlinear optical limiting material. Adv Opt Mater 2017; 5: 1700713. DOI: 10.1002/adom.201700713.
[33] Talib M, Tripathi N, Sharma P, Hasan PMZ., Melaibari AA, Darwesh R, Arsenin AV, Volkov VS, Yakubovsky DI, Kumar S, Pavelyev V, Mishra P. Development of ultrasensitive broadband photodetector: a detailed study on hidden photodetection-properties of TiS2 nanosheets. J Mater Res Technol 2021; 14: 1243-1254. DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.07.032.
[34] Pavelyev V, Sharma P, Rymzhina A, Mishra P, Tripathi N. Advances in transition metal dichalcogenides-based flexible photodetectors. J Mater Sci Mater Electron 2022; 33: 24397-24433. DOI: 10.1007/s10854-022-09204-7.
[35] Talib M, Tabassum R, Abid, Islam SS, Mishra P. Improvements in the performance of a visible-NIR photode-tector using horizontally aligned TiS3 Nanoribbons. ACS Omega 2019; 4(4): 6180-6191. DOI: 10.1021/acsomega.8b03067.
[36] Frisenda R, Giovanelli E, Mishra P, Gant P, Flores E, Sánchez C, Ares JR, De Lara PD, Ferrer IJ, Pérez EM, Castellanos-Gomez A. Dielectrophoretic assembly of liquid-phase-exfoliated TiS3 nanoribbons for photodetecting
applications. Chem Commun 2017; 53(45): 6164-6167. DOI: 10.1039/c7cc01845b.
[37] Zhang W, Huang J-K, Chen C-H, Chang Y-H, Cheng Y-J, Li L-J. High-gain phototransistors based on a CVD M0S2 monolayer. Adv Mater 2013; 25(25): 3456-3461. DOI: 10.1002/adma.201301244.
[38] Kwon J, Hong YK, Han G, Omkaram I, Choi W, Kim S, Yoon Y. Giant photoamplification in indirect-bandgap multilayer MoS2 phototransistors with local bottom-gate structures. Adv Mater 2015; 27(13): 2224-2230. DOI: 10.1002/adma.201404367.
[39] Choi W, Cho MY, Konar A, Lee JH, Cha GB, Hong SC, Kim S, Kim J, Jena D, Joo J, Kim S. High-detectivity multilayer MoS2 phototransistors with spectral response from ultraviolet to infrared. Adv Mater 2012; 24(43): 58325836. DOI: 10.1002/adma.201201909.
[40] Pak Y, Park W, Mitra S, Devi AAS, Loganathan K, Ku-maresan Y, Kim Y, Cho B, Jung GY, Hussain MM, Roqan IS. Enhanced performance of MoS2 photodetectors by inserting an ALD-processed TiO2 interlayer. Small 2018; 14(5): 1703176. DOI: 10.1002/smll.201703176.
[41] Wang X, Huang L, Peng Y, Huo N, Wu K, Xia C, Wei Z, Tongay S, Li J. Enhanced rectification, transport property and photocurrent generation of multilayer ReSe2/MoS2 p-n heterojunctions. Nano Res 2016; 9(2): 507-516. DOI: 10.1007/s12274-015-0932-6.
[42] Zhou X, Zhou N, Li C, Song H, Zhang Q, Hu X, Gan L, Li H, Lu J, Luo J, Xiong J, Zhai T. Vertical heterostructures based on SnSe2/MoS2 for high performance photodetec-tors. 2D Materials 2017; 4(2): 025048. DOI: 10.1088/2053-1583/aa6422.
[43] Chen Y, Gan L, Li H, Ma Y, Zhai T. Achieving uniform monolayer transition metal dichalcogenides film on silicon wafer via silanization treatment: a typical study on WS2. Adv Mater 2017; 29(7): 1603550. DOI: 10.1002/adma.201603550.
[44] Kang X, Lan C, Li F, Wang W, Yip SP, Meng Y, Wang F, Lai Z, Liu C, Ho JC. Van der Waals PdSe2/WS2 hetero-structures for robust high-performance broadband photode-tection from visible to infrared optical communication band. Adv Opt Mater 2021; 9(7): 2001991. DOI: 10.1002/adom.202001991.
[45] Li K, Du C, Gao H, Yin T, Zheng L, Leng J, Wang W. Ul-trafast and polarization-sensitive ReS2/ReSe2 heterostruc-ture photodetectors with ambipolar photoresponse. ACS Appl Mater Interfaces 2022; 14(29): 33589-33597. DOI: 10.1021/acsami.2c09674.
[46] Hafeez M, Gan L, Li H, Ma Y, Zhai T. Chemical vapor deposition synthesis of ultrathin hexagonal ReSe2 flakes for anisotropic Raman property and optoelectronic application. Adv Mater 2016; 28(37): 8296-8301. DOI: 10.1002/adma.201601977.
[47] Ko BM, Khan MF, Dastgeer G, Han GN, Khan MA, Eom J. Reconfigurable carrier type and photodetection of MoTe2 of various thicknesses by deep ultraviolet light illumination. Nanoscale Adv 2022; 4: 2744-2751. DOI: 10.1039/D1NA00881A.
[48] Wang Y, Zhang Y, Cheng Q, Pang J, Chu Y, Ji H, Gao J, Han Y, Han L, Liu H, Zhang Y. Large area uniform PtSx synthesis on sapphire substrate for performance improved photodetectors. Appl Mater Today 2021; 25: 101176. DOI: 10.1016/j.apmt.2021.101176.
[49] Li L, Wang W, Chai Y, Li H, Tian M, Zhai T. Few-layered PtS2 phototransistor on h-BN with high gain. Adv Funct Mater 2017; 27(27): 1701011. DOI: 10.1002/adfm.201701011.
Сведения об авторах
Рымжина Анастасия Романовна, аспирант кафедры наноинженерии Самарского университета по специальности 1.3.2. «Приборы и методы экспериментальной физики». Область научных интересов: материаловедение, фотоэлектрические устройства, наноструктуры, наноматериалы, фотодетекторы, фотокатализ. E-mail: [email protected]
Шарма Прачи, Ph.D., доцент кафедры наноинженерии Самарского университета, доцент школы электронной инженерии (SENSE) технологического института Веллора (VIT). Область научных интересов: наноструктуры, наноматериалы, тонкопленочные транзисторы, фотодетекторы, фотокатализ. E-mail: [email protected]
Подлипнов Владимир Владимирович, инженер НИЛ-35 и старший преподаватель кафедры технической кибернетики Самарского университета, инженер лаборатории микро- и нанотехнологий Института систем обработки изображений, НИЦ «Курчатовский институт». Область научных интересов: математическое моделирование, электронно-лучевая литография и оптимизация технологических процессов травления в микроэлектронике, дифракционной оптике, технологии обработки и контроля поверхности. E-mail: [email protected]
Артемьев Дмитрий Николаевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры лазерных и биотехнических систем, старший научный сотрудник НИЛ-96 «Фотоника» Самарского университета. Область научных интересов: спектроскопия, Рамановская спектроскопия, биофотоника, проектирование оптических приборов, волоконная оптика, оптоволоконные зонды. E-mail: [email protected]
Тукмаков Константин Николаевич, ведущий инженер кафедры наноинженерии Самарского университета. Область научных интересов: технологии наноэлектроники и микросистемной техники. E-mail: [email protected]
Павельев Владимир Сергеевич, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой наноинженерии Самарского университета; главный научный сотрудник Института систем обработки изображений, НИЦ «Курчатовский институт». Область научных интересов: дифракционная микрооптика и оптические волноводы, нанофотоника и синтез оптических метаматериалов, технологии формирования микро- и наноструктур. E-mail:
Платонов Владимир Игоревич, кандидат химических наук, доцент кафедры химии Самарского университета и старший научный сотрудник НИЛ-35. Область научных интересов: газовая хроматография, микрофлюи-дика, детекторы, материаловедение, планарные технологии, микроэлектромеханические системы. E-mail: [email protected]
Мишра Прабхаш, Ph.D., доцент кафедры наноинженерии Самарского университета, доцент университета Джамия Миллия Исламия. Область научных интересов: наноструктуры, наноматериалы, фотодетекторы, фотокатализ, газоанализ. E-mail: prabhash [email protected]
Трипати Нишант, Ph.D., доцент кафедры наноинженерии Самарского университета. Область научных интересов: наноструктуры, наноматериалы, фотодетекторы, фотокатализ, газоанализ. E-mail: nishant.tripathi.11@gmail. com
ГРНТИ: 29.31.15, 29.31.27 Поступила в редакцию 27 апреля 2023 г. Окончательный вариант - 30 октября 2023 г.
Ultra-fast highly sensitive flexible infrared detector
A.R. Rymzhina1, P. Sharma 1,2t V.V. Podlipnov1-3, D.N. Artemyev1, K.N. Tukmakov1, V.S. Pavelyev1-3, V.I. Platonov1,
P. Mishra14, N. Tripathi1 1 Samara National Research University, 443086, Samara, Russia, Moskovskoye Shosse 34;
2 School of Electronics Engineering (SENSE), Vellore Institute of Technology (VIT), 632014, Vellore, Tamil Nadu, India;
3Image Processing Systems Institute, NRC "KurchatovInstitute", 443001, Samara, Russia, Molodogvardeyskaya 151;
4 Centre for Nanoscience and Nanotechnology. Jamia Millia Islamia (A Central University), 110025, Jamia Nagar, New Delhi, India
Abstract
A comparative analysis of photodetectors based on TiS2 nanosheets and on TiS2 nanosheets functionalized with silver nitrate is carried out. TiS2 nanosheets were synthesized by a chemical vapor transport technique, followed by a 1-hour ultrasonication treatment. The obtained solution was deposited between interdigitated electrodes fabricated on the surface of a flexible substrate using a dielectrophoresis process. Polyethylene terephthalate was used as a flexible substrate material. The characteristics of the fabricated photodetectors were determined by illuminating them with tunable-power laser light at 1064 nm. A significant effect of silver nitrate particles scattered in the volume of the photodetector sensitive material on its efficiency is observed. The superiority of the photodetector based on TiS2 nanosheets functionalized with silver nitrate is demonstrated. This photodetector demonstrates a significant response for all the laser light powers used (11.6, 19.6, 51, 100, and 150 mW), shows fast response (0.23 ± 0.01 s) and recovery (0.49 ± 0.02 s) times, coupled with high sensitivity (260-103±7-103 A/W), quantum efficiency (303 -103 ± 8-103 A/W-nm) and detectivity (3.10-1013 ± 0.09-1013 Jones) at an incident laser light power of 11.6 mW. The results obtained in this study can be used for the development and optimization of modern optoelectronic devices.
Keywords: flexible photodetector, transition metal dichalcogenides, TiS2 nanosheets, infrared radiation, dielectrophoresis, chemical vapor transport.
Citation: Rymzhina AR, Sharma P, Podlipnov VV, Artemyev DN, Tukmakov KN, Pavelyev VS, Platonov V, Mishra P, Tripathi N. Ultra-fast highly sensitive flexible infrared detector. Computer Optics 2024; 48(3): 363-370. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1325.
Acknowledgements: This work was funded by the Russian Science Foundation under grant No. 21-79-00272, https://rscf.ru/project/21-79-00272/.
Authors' information
Anastasia Romanovna Rymzhina, post-graduate student of Nanoengineering department of Samara National Research University, specialty 1.3.2. "Instruments and methods of experimental physics". Research interests: materials science, photoelectric devices, nanostructures, nanomaterials, photodetectors, photocatalysis. E-mail: [email protected]
Prachi Sharma, Ph.D., Associate Professor of Nanoengineering department of Samara National Research University, Associate Professor at the School of Electronics Engineering (SENSE) at the Vellore Institute of Technology (VIT). Research interests: nanostructures, nanomaterials, thin-film transistors, photodetectors, photocatalysis. E-mail: [email protected]
Vladimir Vladimirovich Podlipnov, an engineer at Samara National Research University's Lab-35, an engineer of the laboratory of Micro- and Nanotechnology of the Image Processing Systems Institute, NRC "Kurchatov Institute". Research interests: mathematical modeling, electron-beam lithography, optimization of etching procedures in microelectronics, diffractive optics and techniques for surface processing and inspection. E-mail: podlipnovvv@ya. ru
Dmitry Nikolaevich Artemyev, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of Laser and Biotechnical Systems Department, Senior Researcher at scientific laboratory "Photonics" of Samara University. Re-
search interests: spectroscopy, Raman spectroscopy, biophotonics, optical systems design, fiber optics, fiber optic probes. E-mail: [email protected]
Konstantin Nickolaevich Tukmakov, a leading engineer of Nanoengineering department of Samara National Research University. Research interests: technologies of nanoelectronics and microsystem technique. E-mail: [email protected]
Vladimir Sergeevich Pavelyev, Doctor of Physical and Mathematical Sciences; Head of Nanoengineering department of Samara National Research University, chief researcher of the Image Processing Systems Institute, NRC "Kur-chatov Institute". Research interests: diffractive microoptics, optical waveguides, nanophotonics, optical metamaterials synthesis, technologies for forming of micro- and nanostructures. E-mail: [email protected]
Vladimir Igorevich Platonov, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor of Chemistry department of Samara National Research University, senior scientist at Samara National Research University's Lab-35. Research interests: gas chromatography, microfluidics, detectors, materials science, planar technologies, microelectromechanical systems. E-mail: [email protected]
Prabhash Mishra, Ph.D., Associate Professor of Nanoengineering department of Samara National Research University, Associate Professor at the Jamia Millia Islamia (A Central University). Research interests: nanostructures, na-nomaterials, photodetectors, photocatalysis, gas analysis. E-mail: prabhash [email protected]
Nishant Tripathi, Ph.D., Associate Professor of Nanoengineering department of Samara National Research University. Research interests: nanostructures, nanomaterials, photodetectors, photocatalysis, gas analysis. E-mail: nishant.tripathi. 11@gmail. com
Received April 27, 2023. The final version - October 30, 2023.
