A Stable UV Photodetector Based on n-ZnS/p-CuSCN Nanofilm with High On/Off Ratio

WEI Yao-qi; QUAN Jia-le; ZHAO Qing-qiang; ZHOU Ming-chen; HAN San-can

doi:10.37188/CJL.20220069

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

A Stable UV Photodetector Based on n-ZnS/p-CuSCN Nanofilm with High On/Off Ratio

Device Fabrication and Physics | 更新时间：2022-10-19

- A Stable UV Photodetector Based on n-ZnS/p-CuSCN Nanofilm with High On/Off Ratio
  增强出版
- Chinese Journal of Luminescence Vol. 43, Issue 6, Pages: 911-921(2022)
- 作者机构：
  
  上海理工大学材料与化学学院，上海　200093
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(51802195);上海市教委晨光学者项目(19CG53)
- DOI：10.37188/CJL.20220069
  CLC： TN23
- Received：01 March 2022，
  
  Revised：14 March 2022，
  
  Published：05 June 2022
- 稿件说明：
移动端阅览
魏瑶琪,全家乐,赵庆强等.一种基于n-ZnS/p-CuSCN纳米薄膜的高开关比和稳定性紫外光电探测器[J].发光学报,2022,43(06):911-921.

WEI Yao-qi,QUAN Jia-le,ZHAO Qing-qiang,et al.A Stable UV Photodetector Based on n-ZnS/p-CuSCN Nanofilm with High On/Off Ratio[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(06):911-9211.
魏瑶琪,全家乐,赵庆强等.一种基于n-ZnS/p-CuSCN纳米薄膜的高开关比和稳定性紫外光电探测器[J].发光学报,2022,43(06):911-921. DOI： 10.37188/CJL.20220069.

WEI Yao-qi,QUAN Jia-le,ZHAO Qing-qiang,et al.A Stable UV Photodetector Based on n-ZnS/p-CuSCN Nanofilm with High On/Off Ratio[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(06):911-9211. DOI： 10.37188/CJL.20220069.

摘要

通过原位生长法制备了一种CuSCN纳米薄膜紫外光电探测器，在-1 V 偏压下，入射光为350 nm时， CuSCN紫外光电探测器的开关比～94，响应/恢复时间~1.41 s/1.44 s。但这种器件仍不能称之为一种高性能的光电探测器。为进一步提高CuSCN纳米薄膜的光电性能，我们制备了一种基于 n-ZnS/p-CuSCN 复合薄膜的紫外光电探测器，并对制备的样品进行了形貌、成分和性能分析。结果显示，在-1 V 偏压下，入射波长为350 nm时， ZnS/CuSCN紫外光电探测器表现出比CuSCN紫外光电探测器更高的光电流和更低的暗电流，分别为1.22×10

-5

A和4.8×10

-9

A。基于ZnS/CuSCN 纳米薄膜的紫外光电探测器开关比-2 542，响应/恢复时间为0.47 s/0.48 s，在350 nm波长下具备最佳的响应度和探测率，分别为5.17 mA/W和1.32 × 10

Jones。此外，n-ZnS/p-CuSCN复合薄膜在室温下性能稳定，具有作为高性能紫外探测器的潜力。

Abstract

Herein， We fabricated a CuSCN nanofilm ultraviolet（UV） photodetector（PD） using an

in situ

growth method. When the bias is -1 V and the incident light is 350 nm， the on/off ratio of the CuSCN PD is ~94， and the rise/decay time is ～1.41 s/1.44 s. However， such a device still cannot be called a high-performance photodetector. To improve the optoelectronic properties of CuSCN nanofilm further， we fabricated a UV photodetector based on n-ZnS/p-CuSCN composite nanofilm and analyzed its morphology， composition， and properties. The photocurrent and dark current of the ZnS/CuSCN UV photodetectors are 1.22×10

-5

A and 4.8×10

-9

A， respectively（at -1 V， 350 nm）. The ZnS/CuSCN nanofilms' on/off ratio of ~2 542 and rise/decay time is 0.47 s/0.48 s. Besides， the n-ZnS/p-CuSCN nanofilm UV PDs have the best responsivity and detectivity at 350 nm with 5.17 mA/W and 1.32 × 10

Jones， respectively. In addition， the n-ZnS/p-CuSCN composite film is stable at room temperature， which indicates its great potential as a high-performance UV photodetector.

关键词

Keywords

references

韩悦，李国辉，梁强兵，等 . 全无机钙钛矿CsPb X 3 纳米晶的研究进展［J］. 发光学报， 2020 ， 41 （ 5 ）： 542 - 556 . doi: 10.3788/fgxb20204105.0542 http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20204105.0542

HAN Y ， LI G H ， LIANG Q B ， et al . Advances of all-inorganic perovskite CsPb X 3 nanocrystals ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2020 ， 41 （ 5 ）： 542 - 556 . （in Chinese） . doi: 10.3788/fgxb20204105.0542 http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20204105.0542

张翼鹏，王雪，纪佩璇，等 . 不同响应机制下的石墨烯基光电探测器研究进展［J］. 发光学报， 2022 ， 43 （ 4 ）： 552 - 575 . doi: 10.37188/CJL.20210359 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20210359

ZHANG Y P ， WANG X ， JI P X ， et al . Research progress of graphene based photodetectors under different response mechanisms ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2022 ， 43 （ 4 ）： 552 - 575 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJL.20210359 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20210359

CHEN J X ， OUYANG W X ， YANG W ， et al . Recent progress of heterojunction ultraviolet photodetectors：materials，integrations，and applications ［J］. Adv. Funct. Mater. ， 2020 ， 30 （ 16 ）： 1909909 . doi: 10.1002/adfm.201909909 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201909909

SHAO D L ， QIN L Q ， SAWYER S . Near ultraviolet photodetector fabricated from polyvinyl-alcohol coated In 2 O 3 nanoparticles ［J］. Appl. Surf. Sci. ， 2012 ， 261 ： 123 - 127 . doi: 10.1016/j.apsusc.2012.07.111 http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.07.111

CAI S ， XU X J ， YANG W ， et al . Materials and designs for wearable photodetectors ［J］. Adv. Mater. ， 2019 ， 31 （ 18 ）： 1808138-1-15 . doi: 10.1002/adma.201808138 http://dx.doi.org/10.1002/adma.201808138

SANG L W ， LIAO M Y ， SUMIYA M . A comprehensive review of semiconductor ultraviolet photodetectors：from thin film to one-dimensional nanostructures ［J］. Sensors（Basel）， 2013 ， 13 （ 8 ）： 482 - 518 . doi: 10.3390/s130810482 http://dx.doi.org/10.3390/s130810482

CHEN H Y ， LIU H ， ZHANG Z M ， et al . Nanostructured photodetectors：from ultraviolet to terahertz ［J］. Adv. Mater. ， 2016 ， 28 （ 3 ）： 403 - 433 . doi: 10.1002/adma.201503534 http://dx.doi.org/10.1002/adma.201503534

XIA F N ， MUELLER T ， LIN Y M ， et al . Ultrafast graphene photodetector ［J］. Nat. Nanotechnol. ， 2009 ， 4 （ 12 ）： 839 - 843 . doi: 10.1038/nnano.2009.292 http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2009.292

LIU L ， YANG C ， PATANÈ A ， et al . High-detectivity ultraviolet photodetectors based on laterally mesoporous GaN ［J］. Nanoscale ， 2017 ， 9 （ 24 ）： 8142 - 8148 . doi: 10.1039/c7nr01290j http://dx.doi.org/10.1039/c7nr01290j

李超群，陈洪宇，张振中，等 . 电极间距对ZnO基MSM紫外光电探测器性能的影响［J］. 发光学报， 2014 ， 35 （ 10 ）： 1172 - 1175 . doi: 10.3788/fgxb20143510.1172 http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20143510.1172

LI C Q ， CHEN H Y ， ZHANG Z Z ， et al . Effect of electrode spacing on the properties of ZnO based MSM ultraviolet photodetector ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2014 ， 35 （ 10 ）： 1172 - 1175 . （in Chinese） . doi: 10.3788/fgxb20143510.1172 http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20143510.1172

陈雪，魏志鹏 . 具有高光开关比和高响应度的单根In 2 O 3 纳米线紫外光电晶体管［J］. 发光学报， 2021 ， 42 （ 2 ）： 208 - 214 . doi: 10.37188/CJL.20200376 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200376

CHEN X ， WEI Z P . Single In 2 O 3 nanowire ultraviolet phototransistor with high optical on-off ratio and high responsivity ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2021 ， 42 （ 2 ）： 208 - 214 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJL.20200376 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200376

HATCH S M ， BRISCOE J ， DUNN S . A self-powered ZnO-nanorod/CuSCN UV photodetector exhibiting rapid response ［J］. Adv. Mater. ， 2013 ， 25 （ 6 ）： 867 - 871 . doi: 10.1002/adma.201204488 http://dx.doi.org/10.1002/adma.201204488

WYATT-MOON G ， GEORGIADOU D G ， SEMPLE J ， et al . Deep ultraviolet Copper（Ⅰ） thiocyanate （CuSCN） photodetectors based on coplanar nanogap electrodes fabricated via adhesion lithography ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces ， 2017 ， 9 （ 48 ）： 41965 - 41972 . doi: 10.1021/acsami.7b12942 http://dx.doi.org/10.1021/acsami.7b12942

YANG Z ， WANG M Q ， DING J J ， et al . Semi-transparent ZnO-CuI/CuSCN photodiode detector with narrow-band UV photoresponse ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces ， 2015 ， 7 （ 38 ）： 21235 - 21244 . doi: 10.1021/acsami.5b05222 http://dx.doi.org/10.1021/acsami.5b05222

KA I ， GERLEIN L F ， ASUO I M ， et al . Solution-processed p-type copper thiocyanate（CuSCN） enhanced sensitivity of PbS-quantum-dots-based photodiode ［J］. ACS Photonics ， 2020 ， 7 （ 7 ）： 1628 - 1635 . doi: 10.1021/acsphotonics.0c00491 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.0c00491

YAN G H ， JI Z ， LI Z W ， et al . All-inorganic Cs 2 AgBiBr 6 /CuSCN-based photodetectors for weak light imaging ［J］. Sci. China. Mater. ， 2020 ， 64 （ 1 ）： 198 - 208 . doi: 10.1007/s40843-020-1358-5 http://dx.doi.org/10.1007/s40843-020-1358-5

HU K ， TENG F ， ZHENG L X ， et al . Binary response Se/ZnO p-n heterojunction UV photodetector with high on/off ratio and fast speed ［J］. Laser Photonics Rev. ， 2017 ， 11 （ 1 ）： 1600257-1-7 . doi: 10.1002/lpor.201600257 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.201600257

YAN F G ， WEI Z M ， WEI X ， et al . Toward high-performance photodetectors based on 2D materials：strategy on methods ［J］. Small Methods ， 2018 ， 2 （ 5 ）： 1700349-1-14 . doi: 10.1002/smtd.201700349 http://dx.doi.org/10.1002/smtd.201700349

YANG W ， HU K ， TENG F ， et al . High-performance silicon-compatible large-area UV-to-visible broadband photodetector based on integrated lattice-matched type ⅡSe/n-Si heterojunctions ［J］. Nano Lett. ， 2018 ， 18 （ 8 ）： 4697 - 4703 . doi: 10.1021/acs.nanolett.8b00988 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00988

HU K ， CHEN H Y ， JIANG M M ， et al . Broadband photoresponse enhancement of a high-performance t -se microtube photodetector by plasmonic metallic nanoparticles ［J］. Adv. Funct. Mater. ， 2016 ， 26 （ 36 ）： 6641 - 6648 . doi: 10.1002/adfm.201602408 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201602408

CHEN C ， XIE X Q ， ANASORI B ， et al . MoS 2 -on-MXene heterostructures as highly reversible anode materials for lithium-ion batteries ［J］. Angew. Chem. ， 2018 ， 57 （ 7 ）： 1846 - 1850 . doi: 10.1002/anie.201710616 http://dx.doi.org/10.1002/anie.201710616

KWAK J Y ， HWANG J ， CALDERON B ， et al . Electrical characteristics of multilayer MoS 2 FET's with MoS 2 /graphene heterojunction contacts ［J］. Nano Lett. ， 2014 ， 14 （ 8 ）： 4511 - 4516 . doi: 10.1021/nl5015316 http://dx.doi.org/10.1021/nl5015316

TIAN W ， SUN H X ， CHEN L ， et al . Low-dimensional nanomaterial/Si heterostructure‐based photodetectors ［J］. InfoMat. ， 2019 ， 1 （ 2 ）： 140 - 163 .

LI X ， GAO S Y ， WANG G N ， et al . A self-powered ultraviolet photodetector based on TiO 2 /Ag/ZnS nanotubes with high stability and fast response ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2020 ， 8 （ 4 ）： 1353 - 1358 . doi: 10.1039/c9tc05326c http://dx.doi.org/10.1039/c9tc05326c

LI F ， XIA Z G ， LIU Q L . Controllable synthesis and optical properties of ZnS∶Mn 2+ /ZnS/ZnS∶Cu 2+ /ZnS core/multi-shell quantum dots towards efficient white light emission ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces ， 2017 ， 9 （ 11 ）： 9833 - 9839 . doi: 10.1021/acsami.6b15997 http://dx.doi.org/10.1021/acsami.6b15997

ARJUNAN S ， KAVITHA H P ， PONNUSAMY S ， et al . ZnS/CuS nanocomposites： an effective strategy to transform UV active ZnS to UV and Vis light active ZnS ［J］. J. Mater. Sci： Mater Electoron. ， 2016 ， 27 （ 9 ）： 9022 - 9033 . doi: 10.1007/s10854-016-4935-1 http://dx.doi.org/10.1007/s10854-016-4935-1

SEPALAGE G A ， MEYER S ， PASCOE A R ， et al . A facile deposition method for CuSCN：exploring the influence of CuSCN on J ⁃ V hysteresis in planar perovskite solar cells ［J］. Nano Energy ， 2017 ， 32 ： 310 - 319 . doi: 10.1016/j.nanoen.2016.12.043 http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.12.043

ALTIN İ ， POLAT İ ， BACAKSIZ E ， et al . ZnO and ZnS microrods coated on glass and photocatalytic activity ［J］. Appl. Surf. Sci. ， 2012 ， 258 （ 11 ）： 4861 - 4865 . doi: 10.1016/j.apsusc.2012.01.082 http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.01.082

ZHU Y ， ZHANG Y F ， YAN L M ， et al . Novel ultraviolet photodetector with ultrahigh photosensitivity employing SILAR-deposited ZnS film on MgZnO ［J］. J. Alloys Compd. ， 2020 ， 832 ： 155022-1 - 7 . doi: 10.1016/j.jallcom.2020.155022 http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155022

ZHANG K ， DING J ， LOU Z ， et al . Heterostructured ZnS/InP nanowires for rigid/flexible ultraviolet photodetectors with enhanced performance ［J］. Nanoscale ， 2017 ， 9 （ 40 ）： 15416 - 15422 . doi: 10.1039/c7nr06118h http://dx.doi.org/10.1039/c7nr06118h

LIN H L ， WEI L ， WU C C ， et al . High-performance self-powered photodetectors based on ZnO/ZnS core-shell nanorod arrays ［J］. Nanoscale Res. Lett. ， 2016 ， 11 （ 1 ）： 420-1-7 . doi: 10.1186/s11671-016-1639-7 http://dx.doi.org/10.1186/s11671-016-1639-7

KUANG W J ， LIU X ， LI Q ， et al . Solution-processed solar-blind ultraviolet photodetectors based on ZnS quantum dots ［J］. IEEE Photon. Technol. Lett. ， 2018 ， 30 （ 15 ）： 1384 - 1387 . doi: 10.1109/lpt.2018.2849345 http://dx.doi.org/10.1109/lpt.2018.2849345

XIA Y ， ZHAI G M ， ZHENG Z ， et al . Solution-processed solar-blind deep ultraviolet photodetectors based on strongly quantum confined ZnS quantum dots ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2018 ， 6 （ 42 ）： 11266 - 11271 . doi: 10.1039/c8tc03977a http://dx.doi.org/10.1039/c8tc03977a

CHENG S D ， HAN S C ， CAO Z Y ， et al . Wearable and ultrasensitive strain sensor based on high-quality GaN pn junction microwire arrays ［J］. Small ， 2020 ， 16 （ 16 ）： 1907461-1-8 . doi: 10.1002/smll.201907461 http://dx.doi.org/10.1002/smll.201907461

GONG C H ， CHU J W ， QIAN S F ， et al . Large-scale ultrathin 2D wide-bandgap BiOBr nanoflakes for gate-controlled deep-ultraviolet phototransistors ［J］. Adv. Mater. ， 2020 ， 32 （ 12 ）： 1908242-1-9 . doi: 10.1002/adma.201908242 http://dx.doi.org/10.1002/adma.201908242

KIM J H ， RHO H ， KIM J ， et al . Raman spectroscopy of ZnS nanostructures ［J］. J. Raman Spectrosc. ， 2012 ， 43 （ 7 ）： 906 - 910 . doi: 10.1002/jrs.3116 http://dx.doi.org/10.1002/jrs.3116

HO C H ， VARADHAN P ， WANG H H ， et al . Raman selection rule for surface optical phonons in ZnS nanobelts ［J］. Nanoscale ， 2016 ， 8 （ 11 ）： 5954 - 5958 . doi: 10.1039/c5nr07268a http://dx.doi.org/10.1039/c5nr07268a

XIONG Q H ， CHEN G ， ACORD J D ， et al . Optical properties of rectangular cross-sectional ZnS nanowires ［J］. Nano Lett. ， 2004 ， 4 （ 9 ）： 1663 - 1668 . doi: 10.1021/nl049169r http://dx.doi.org/10.1021/nl049169r

VIRIEUX H ， LE TROEDEC M ， CROS-GAGNEUX A ， et al . InP/ZnS nanocrystals：coupling NMR and XPS for fine surface and interface description ［J］. J. Am. Chem. Soc. ， 2012 ， 134 （ 48 ）： 19701 - 19708 . doi: 10.1021/ja307124m http://dx.doi.org/10.1021/ja307124m

RAMACHANDRAN K ， JEGANATHAN C ， KARUPPUCHAMY S . Surfactant assisted electrochemical growth of ultra-thin CuSCN nanowires for inverted perovskite solar cell applications ［J］. Org. Electron. ， 2021 ， 95 ： 106214-1 - 9 . doi: 10.1016/j.orgel.2021.106214 http://dx.doi.org/10.1016/j.orgel.2021.106214

TSAI C T ， GOTTAM S R ， KAO P C ， et al . Improvement of OLED performances by applying annealing and surface treatment on electro-deposited CuSCN hole injection layer ［J］. Synthetic. Met. ， 2020 ，269， 116537 - 1 - 8 . doi: 10.1016/j.synthmet.2020.116537 http://dx.doi.org/10.1016/j.synthmet.2020.116537

JIANG H ， PENG H ， GUO H ， et al . Interfacial mechanical strength enhancement for high-performance ZnS thin-film anodes ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces ， 2020 ， 12 （ 46 ）： 51344 - 51356 . doi: 10.1021/acsami.0c13139 http://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c13139

DAI L W ， STRELOW C ， KIPP T ， et al . Colloidal manganese-doped ZnS nanoplatelets and their optical properties ［J］. Chem. Mater. ， 2021 ， 33 （ 1 ）： 275 - 284 . doi: 10.1021/acs.chemmater.0c03755 http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c03755

HASSAN S ， BERA S ， GUPTA D ， et al . MoSe 2 -Cu 2 S vertical p-n nanoheterostructures for high-performance photodetectors ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces ， 2019 ， 11 （ 4 ）： 4074 - 4083 . doi: 10.1021/acsami.8b16205 http://dx.doi.org/10.1021/acsami.8b16205

张旭 . 降低Si基有机光电探测器暗电流的研究［J］. 甘肃科学学报， 2009 ， 21 （ 4 ）： 54 - 57 . doi: 10.3969/j.issn.1004-0366.2009.04.014 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-0366.2009.04.014

ZHANG X . Study on the reduction of the dark current in Si-based organic photodetector ［J］. J. Gansu Sci. ， 2009 ， 21 （ 4 ）： 54 - 57 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1004-0366.2009.04.014 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-0366.2009.04.014

CAI J ， XU X J ， SU L X ， et al . Self-powered n-SnO 2 /p-CuZnS core-shell microwire UV photodetector with optimized performance ［J］. Adv. Optical. Mater. ， 2018 ， 6 （ 15 ）： 1800213-1-7 . doi: 10.1002/adom.201800213 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201800213

WANG Y C ， WU C ， GUO D Y ， et al . All-oxide NiO/Ga 2 O 3 p⁃n junction for self-powered UV photodetector ［J］. ACS Appl. Electron. Mater. ， 2020 ， 2 （ 7 ）： 2032 - 2038 . doi: 10.1021/acsaelm.0c00301 http://dx.doi.org/10.1021/acsaelm.0c00301

DAI W ， PAN X ， CHEN C ， et al . Enhanced UV detection performance using a Cu-doped ZnO nanorod array film ［J］. RSC Adv. ， 2014 ， 4 （ 60 ）： 31969 - 31972 . doi: 10.1039/c4ra04249b http://dx.doi.org/10.1039/c4ra04249b

XIN B ， WU Y T ， LIU X R ， et al . High performance UV photodetector based on 2D non-layered CuGaS 2 nanosheets ［J］. Semicond. Sci. Technol. ， 2019 ， 34 （ 5 ）： 055007-1-5 . doi: 10.1088/1361-6641/ab0bdf http://dx.doi.org/10.1088/1361-6641/ab0bdf

AGGARWAL N ， KRISHNA S ， SHARMA A ， et al . A highly responsive self-driven UV photodetector using GaN nanoflowers ［J］. Adv. Electron. Mater. ， 2017 ， 3 （ 5 ）： 1700036-1-7 . doi: 10.1002/aelm.201700036 http://dx.doi.org/10.1002/aelm.201700036

Views

324

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

No data

Related Author

Yaoqi WEI

Jiale QUAN

Qingqiang ZHAO

Mingchen ZHOU

Sancan Han

Related Institution

University of Shanghai for Science and Technology Shanghai

AI问答

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China Postal code：130033
Tel：0431-86176862 Email：fgxbt@126.com
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰