具有高电导率的拓扑绝缘体纳米片中极其增强的光电流响应

介绍

寻找具有更高光电流响应的材料是一项持续的任务。固态材料中较短的光穿透深度导致光电流响应由表面载流子主导。具有更高丰度表面载流子的材料更适合用作光电探测器。长期以来，具有高表面积与体积比的材料，如纳米线，被广泛研究[1-6]。伴随着较宽的光电探测带宽、具有线性 EK 色散的低维材料，如石墨烯、[7, 8] 石墨烯基异质结构、[1-4]、二维过渡金属二硫属元素化物 (TMD) 和拓扑材料，已引起广泛关注[9-16]。

最近的报告显示，报告的光电流响应在很宽的范围内变化 [17-22]。人们直观地将这些分布归因于不同的材料生长和实验条件。大多数报告都将注意力集中在材料成分的调整上。这些分布的潜在内在机制很少被调查和讨论。阐明内在机制可能有助于改善潜在缺陷并大大优化性能。据信，样品质量应该是主导光电流响应的关键因素 [17-22]。除了晶体结构和成分分析，还有其他简单的物理方法来确定样品质量吗？根据许多实验报告，我们注意到光响应性分布在很宽的范围内，具有不同的薄层电阻。由光子引起的电子-空穴对的传输过程遵循介观固态系统中的散射过程，因此材料电导将是主导报道的光电流响应的关键因素。然而，这种效应尚未得到很好的研究，相关的实验工作也缺乏。

为了确定电导对光电流响应的影响，我们系统地研究了具有不同电导率的拓扑绝缘体纳米片中的光电流响应。光电流与光功率强度成线性关系，光电流与暗电流成正比。在具有更高电导率的纳米片中观察到更高的光电流。响应度与两个数量级的纳米片电导成正比。响应度与真空中的光功率强度无关，但响应度在空气中的低功率强度下急剧下降。空气中的响应度与真空中的响应度之比与光功率强度的倒数成负比。这些行为被理解为具有封闭分子的系统中的统计光电流。时间常数随着厚度的增加而减小。这种行为可以理解为均匀电流流动过程。确定不同压力的充电和放电时间常数。在较低的大气压下观察到较长的时间常数。响应度，R , 与纳米片电导率呈线性关系。 R 在 V =0.1 V 在具有更高电导的纳米片上达到 731。这些值高于 (Sb, Bi)2(Te, Se)3 拓扑绝缘体和低维材料的所有报道值，仅低于一些报道的异质结构。

实验方法

Sb2Se2Te 单晶由自制的电阻加热浮区炉 (RHFZ) 生长。根据化学计量比混合 Sb2Se2Te 的起始原料。首先，将高纯元素 Sb (99.995%)、Se (99.995%) 和 Te (99.995%) 的化学计量混合物在 700 ~ 800 °C 的温度下熔化 20 小时，然后在真空石英玻璃管。所得材料用作以下 RHFZ 实验的进料杆。生长后，将晶体炉冷至室温。将生长的晶体沿基面劈开，产生银色闪亮的镜面，然后为进一步的实验做好准备。拉曼、EDS 和 XPS 光谱支持晶体为 Sb2Se2Te。 X 射线衍射显示出尖峰，表明 Sb2Se2Te 晶体具有高结晶度和均匀性。我们之前的工作表明，从 ARPES 中提取的物理参数与量子 SdH 振荡是一致的。这些支持 Sb2Se2Te 晶体显示出高质量和均匀性。

Sb2Se2Te 纳米片是通过使用切割胶带剥离块状晶体获得的，然后分散在绝缘 SiO2 (300nm)/n 上 -带有预先图案化的 Ti/Au 电路的 Si 模板。随后使用聚焦离子束 (FIB) 技术将两个铂 (Pt) 金属触点沉积在选定的 Sb2Se2Te 纳米片上。图 1a-c 显示了三个 Sb2Se2Te 纳米片的 SEM 图片。纳米片的厚度通过原子力显微镜测定，三种合成纳米片的测量厚度分别为 58 nm、178 nm 和 202 nm。这些纳米片的电导率由吉时利 4200-SCS 测量。在双探针方法中，作为施加电压的函数测量电流。我 ⁺ 和 V ⁺ 是相同的接触点，并且 I ⁻ 和 V ⁻ 是同一个接触点。为了确定本征电导对光电流响应的影响，制备了三种不同电导的纳米片用于光电流测量。

一 , b , 和 c 显示三个 Sb2Se2Te 纳米片的 SEM 图片。纳米片厚度通过 AFM 测量。两个铂触点沉积在纳米片上以测量光电流。 d , e , 和 f 揭示电压-电流关系，并且是线性的。这表明 Pt 电极与 Sb2Se2Te 纳米片之间存在欧姆接触

结果与讨论

图 1d-f 显示了线性电压-电流关系。这表明铂电极和纳米片之间的金属特性和欧姆接触。测量的电导，G , 是 4 × 10 ⁻⁵ , 0.006, 和 7 × 10 ⁻⁵ (S) 分别为厚度为 202、178 和 58 nm 的纳米片。电导率高于 1000 (S/m)，支持我们的纳米片具有极高的晶体质量。

图 2a-c 显示了作为光功率强度函数的测量电流。图 2d-f 显示测量的电流与光功率强度成正比 [27, 28]。关系可以表示为 I on=β P ^α +我 关闭，其中 I on 是光测得的电流，I off 是在没有光的情况下测得的电流，β 是与光电流响应相关的常数，P 是光功率强度，α 是与设备和光之间的光照条件相关的常数。值得注意的是，较大的I 在具有较大 I 的纳米片中观察到 离开。光电流，I ph，定义为 I on-I 离开。表 1 列出了拟合结果。它表明 α 对于具有不同厚度的所有纳米片，≈1，并且支持这些纳米片中一致的光学特性。值得注意的是β /G 是 1.1×10 ⁵ ±0.2×10 ⁵ (A / WS) 适用于所有纳米片。这表明观察到的光电流与有效电导成正比。这一发现支持除了系统几何形状和材料能带结构外，纳米片的有效电导也是决定光电流响应的关键因素。

一 , b , 和 c 显示了在三个不同厚度的样品中测得的电流与光功率强度的函数关系。 d , e , 和 f 表明测量的电流与光功率强度成正比。我们注意到较大的 I 在具有较大 I 的纳米片中观察到 关闭

我 ph 源自由注入的光子和纳米片之间的相互作用引起的电子-空穴对。在施加的电偏压下，感应电子和空穴沿相反方向流动。有效的I ph 与施加的电压和电子-空穴对的数量成正比。更多的注入光子导致更多的电子-空穴对。光穿透深度短且弱，取决于光功率强度。据报道，拓扑绝缘体的光穿透深度约为 20 nm，小于我们纳米片的厚度 [23, 24]。 我 当厚度大于光穿透深度时，ph 值应与纳米片厚度无关。纳米片表面积分布为 3 倍，但观察到的 I ph 分布在二阶差异上。除了有效的诱导电子-空穴对外，观察到的不同 I ph 值应源自内在属性。为了排除外在几何对 I 的影响 ph 值并定量确定这些纳米片的性能、响应度、R , 使用以下等式计算：

其中 P 和 S 分别为光功率强度和有效面积。

图 3 显示了 R 作为光功率强度的函数，不同于大多数报道的 R 随着 Bi 基拓扑绝缘体和低维材料中光功率强度的增加而急剧下降 [25, 26]。我们的结果表明，R 和 G 与真空中的光功率强度无关。这进一步支持在我们的实验条件下光穿透深度应该比纳米片厚度短。较大的 R 在具有更高电导的纳米片中观察到。这支持观察到的更高的光响应源于固有的传输特性，而不是来自纳米片几何形状或实验条件。

三个 Sb2Se2Te 纳米片的响应度。它揭示了光功率强度对响应度的弱依赖性。在具有较高电导率的纳米片中观察到较高的响应率

如图 1 所示，线性电压-电流关系支持纳米片显示金属行为。由于施加的偏压，光诱导的电子 - 空穴对将传播到两个电极触点 [27-29]。根据欧姆定律，相关光电流可以通过关系I确定 ph=V G 其中 V 是在两个电极之间施加的偏压。 我 ph 与 G 成正比 .

图 4 显示了 R 作为 G 的函数 在对数对数图中。 Sb2Se2Te 的数据点是这项工作的测量结果，Sb2SeTe2 的数据点是从我们之前在相同晶体生长条件和测量设置下的工作中提取的 [27]。 Sb2SeTe2 纳米片的厚度约为 180 nm。波长为 532 nm。 Sb2Se2Te 和 Sb2SeTe2 均表明 R 与光功率强度无关。这些数据点在很宽的纳米片电导范围内遵循点线的趋势。这支持 R 与 G 成正比 ，这与我们的提议是一致的。

作为纳米片电导函数的响应度。它显示响应度与纳米片电导成正比。 Sb2SeTe2 数据来自我们报告的值

具有更高光电流响应的系统非常适合潜在应用。除了寻找具有特定带结构和带隙的新材料或系统外，对系统进行适当的处​​理也是增强光响应的合适方法。我们的实验结果支持本征电导将是优化光电流响应的关键因素。这可以通过适当的生长条件来实现。如图 4 所示，光电流通过电导调整提高了 2 个数量级。本研究可以指导其他研究人员通过简单的电气测试来构建合适的指南，以选择更好的系统进行进一步的实验研究。

R 和 V 处的探测能力 =0.1V 达到 731 和 2.6×10 ¹⁰ 在具有更高导电性的纳米片上。这些光响应大于 (Sb, Bi)2(Te, Se)3 拓扑绝缘体和低维材料 [27, 28] 中所有报道的值，并且仅低于几个报道的异质结构。最近，低维材料在光电流领域引起了极大的关注。我们注意到这些低维材料中报道的电导率非常高。这与我们的实验结果一致，即电导率是决定光电流响应的关键因素。

图 5 描绘了 R 作为真空和大气中光功率强度的函数。我们注意到 R 当光强低于 500 Wm 时急剧下降 ^-2 在气氛中。这支持这种减少的 R 在大气中低光强度下可能是由于吸附分子对我们的 Sb2Se2Te 纳米片表面的影响。

响应度和光电导增益是 532 nm 波长光功率强度的函数。响应度是真空中弱光功率强度依赖性。当光功率强度低于500 W时，响应度随大气中光功率强度的降低而降低 /米 ²

光响应对样品表面的条件非常敏感。除了有效响应面积的减少外，表面缺陷和氧化可能会降低载流子迁移率和寿命。

最近，据报道吸附在 Bi2Se3 拓扑绝缘体表面的分子使结构弯曲并导致额外的 2DEG。这种诱导的 2DEG 将提高有效载流子迁移率 [30]。具有更高载流子迁移率的系统可能会减少载流子传输时间并产生更高的光电流。另一方面，增强的载流子迁移率应该与光功率强度无关。这些支持观察到的 R 抑制主要来自有效发光区域，而不是来自内在传输特性。因此，可以认为 R 的下降 在低光功率强度下的空气中，与固有复合载流子弛豫效应相比，吸附分子阴影效应更相关。

响应度的定义是感应载流子与入射光子的比值，也可以表示为 \(R=\eta \frac {q}{hf},\) 其中 q , hf , 和 η 分别是载流子电荷、光能和量子效率。 η 与材料特性和光波长直接相关。为了排除其他外在和内在效应并优化分子阴影效应，R (a 我 r )/R (v 一 c ) 绘制为光功率强度的函数。如图6所示，该比率随着功率强度的增加而增加，并在高功率强度下逐渐饱和。

作为光功率强度函数的空气响应率与真空响应率之比。数据点与理论预测相符。插图显示空气中的响应度与真空中的响应度之比与光功率强度的倒数成反比

我们提出了一个入射光子数为Y的模型 , m 光子与材料相互作用，并且 n 光子被吸附在表面的分子阻挡。也就是说，Y =米 +n . Z 是一个光子的平均感应光电流载流子数。在极弱的光强下，光数远小于总分子单元，有效光电流应遵循统计计算，结果支持量子效率，η , 可以表示为

该静态计算支持在弱光功率强度和长弛豫时间的限制下，有效光电流与光功率强度密切相关；光子数可能小于“照片载体创建者”。有效光电流可表示为

Y 与光功率强度成正比。 R (a 我 r )/R (v 一 c ) 与 Y 的倒数成负比 并且弱依赖于Y 在 Y 的情况下 ≫n .如图 6 所示，它清楚地表明实测数据点与理论方程吻合得很好，插图表明数据点与光功率强度的倒数成负比。这些支持观察到的光电流下降主要来自表面吸附分子的阴影效应。 \(\frac {R(air)}{R(vac)}\) 在高功率强度下约为 0.4，这表明表面被吸附分子覆盖了 40%。

图 7 的左下角插图显示了作为时间函数的光电流。充电过程可以用e来描述 ^{-t /k} , 其中 k 是特征时间常数。我们的实验结果表明，测得的光电流与拟合线吻合。右上角的插图显示提取的电荷时间常数作为厚度的函数。它表明时间常数随着厚度的增加而减小。这种行为可以理解为均匀电流流动过程 [27, 28]。另一方面，确定了不同大气压的充放电时间常数。结果表明，充电时间常数与放电时间常数大致相同，在低气压下观察到的时间常数更长。

左下角插图显示了充电过程中作为时间函数的光电流，它与拟合线吻合。右上角的插图显示了作为厚度函数的充电时间常数。作为压力函数的充放电时间常数

结论

光电流在 532 nm 波长下具有不同电导的 Sb2Se2Te 拓扑绝缘体中进行。光电流与光功率强度成线性关系，光电流与暗电流成正比。在具有更高电导的纳米片中观察到更高的光电流。响应度与纳米片电导率成正比。响应度与真空中的光功率强度无关，但响应度在空气中的低功率强度下急剧下降，这与大多数报道的结果相反。空气中的响应度与真空中的响应度之比与光功率强度的倒数成负比。这些行为被理解为具有封闭分子的系统中的统计光电流。按照理论模型，表面覆盖了 40% 的空气中吸附分子。时间常数随着厚度的增加而减小。这种行为可以理解为均匀电流流动过程。确定不同压力的充电和放电时间常数。在较低的大气压下观察到较长的时间常数。 R 和 V 处的探测能力 =0.1V 达到 731 和 2.6×10 ¹⁰ 在具有更高导电性的纳米片上。这些值高于 (Sb, Bi)2(Te, Se)3 拓扑绝缘体和低维材料的所有报道值，仅低于一些报道的异质结构。

缩写

ARPES：

角分辨光电子能谱

EDS：

能量色散X射线光谱

SdH：

舒布尼科夫-德哈斯

XPS：

X射线光电子能谱