Indagando su vari contatti metallici per p

Jun 02, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8259 (2023) Citare questo articolo

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I semiconduttori Delafossite hanno attirato notevole attenzione nel campo dell'elettroottica grazie alle loro proprietà uniche e alla disponibilità di materiali di tipo p applicabili per celle solari, fotocatalizzatori, fotorivelatori (PD) e ossidi conduttivi trasparenti di tipo p (TCO). Il CuGaO2 (CGO), essendo uno dei materiali delafossitici di tipo p più promettenti, ha proprietà elettriche e ottiche interessanti. In questo lavoro, siamo in grado di sintetizzare CGO con diverse fasi adottando il percorso di reazione allo stato solido utilizzando lo sputtering seguito da un trattamento termico a diverse temperature. Esaminando le proprietà strutturali dei film sottili di CGO, abbiamo scoperto che la fase delafossite pura appare alla temperatura di ricottura di 900 °C. Mentre a temperature più basse si può osservare la fase delafossite, ma insieme alla fase spinello. Inoltre, le loro caratteristiche strutturali e fisiche indicano un miglioramento della qualità dei materiali a temperature superiori a 600 °C. Successivamente, abbiamo fabbricato un UV-PD (UV-PD) basato su CGO con una configurazione metallo-semiconduttore-metallo (MSM) che mostra prestazioni notevoli rispetto agli altri UV-PD basati su CGO e abbiamo anche studiato l'effetto del metallo contatti sulle prestazioni del dispositivo. Dimostriamo che UV-PD con l'impiego di Cu come contatto elettrico mostra un comportamento Schottky con una risposta di 29 mA/W con un tempo di risposta breve di 1,8 e 5,9 s rispettivamente per i tempi di salita e di decadimento. Al contrario, l'UV-PD con elettrodo Ag ha mostrato una migliore reattività di circa 85 mA/W con un tempo di salita/decadimento più lento di 12,2/12,8 s. Il nostro lavoro fa luce sullo sviluppo di semiconduttori delafossite di tipo p per possibili applicazioni optoelettroniche del futuro.

Al giorno d'oggi, CuGaO2 (CGO) ha un'applicazione diffusa nei dispositivi elettro-ottici grazie alle sue notevoli proprietà ottiche ed elettroniche1,2. Delafossite CGO con un bandgap di 3,6 eV e la sua significativa conduttività può promettere notevoli applicazioni nella gamma dello spettro ultravioletto (UV). Inoltre, il CGO è un semiconduttore intrinseco di tipo p, che ha grande importanza rispetto ad altri ossidi conduttivi trasparenti (TCO), come ZnO, CdO, SnO2, In2O3:Sn o In2O3:Mo che sono tipicamente semiconduttori di tipo n3. Finora, i TCO di tipo p tra cui Cu2O, NiO, VO2 sono i materiali più popolari per lo studio. L'emergente CGO delafossite con un'elevata trasmittanza dell'80% nella regione visibile e una concentrazione di fori sintonizzabili fino a circa 1021 cm-3 ha mostrato la sua promessa come TCO di tipo p4,5. Inoltre, vari studi mostrano che il materiale emergente CGO può essere ampiamente utilizzato nelle celle solari sensibilizzate con coloranti (DSSC)6, fotocatalizzatori7,8, giunzioni pn9, transistor a film sottile trasparente (TTFT)10, strato di trasporto dei fori (HTL) per pannelli solari in perovskite. cellule11,12 e fotorilevatori13. Inoltre, grazie all'eccellente adattamento reticolare con Ga2O3 e ZnO, questo materiale può anche essere promettente per la fabbricazione di giunzioni pn interamente in ossido per varie applicazioni optoelettroniche ed elettroniche8,14.

In generale, β e α sono due fasi degne di nota del materiale CGO. La fase β, che ha una struttura wurtzite, è composta da tetraedri GaO4 e CuO4 che condividono i vertici e mostra un bandgap1 di 1,47 eV. Suzuki et al., sottolineano che il β-CGO è un'opzione appropriata per la produzione di celle solari a causa dell'elevato coefficiente di assorbimento e dell'adeguato bandgap diretto15. Il CGO in fase α ha una struttura delafossitica con simmetria \(R\overline{3}m\), in cui gli atomi di Cu formano una disposizione lineare con O come O–Cu–O, mentre gli atomi di Ga creano ottaedri con condivisione dei bordi con Oh atomi. Questa disposizione atomica dà una struttura periodica di piani di Cu e GaO6 che riappaiono come costruzione di impilamento ABCBAC. La Figura 1 confronta schematicamente le strutture di delafossite (α-) e wurtzite (β-) CGO. L'α-CGO ha un bandgap di 3,6 eV, che distingue in modo univoco le sue proprietà dal β-CGO. Sebbene, secondo la classificazione, α-CGO sia un semiconduttore indiretto, presenta una transizione diretta con una differenza di energia di circa 3,6–3,7 eV nei punti L e F (nello spazio k), che può particolarizzare le proprietà ottiche ed elettroniche di questo materiale . Suzuki et al., menzionano anche che, a causa dell'ampio gap di banda e dell'efficace conduttività dell'α-CGO, può essere utilizzato come TCO16 adatto. A causa della minore energia di formazione della fase delafossite rispetto a quella wurtzite, l'α-CGO è più stabile mentre la β-CGO è una fase instabile che può essere decomposta per formare α-CGO a temperature superiori a 460 °C16.