Title Impact of Mo doping on photo-sensing properties of ZnO thin films for advanced photodetection applications
الباحث الرئيس محمد توقير خان
الباحثون المشاركون
التخصص: الفيزياء
التخصص الدقيق: Material Science
المستخلص:
استكشفت هذه الدراسة تأثير تطعيم الموليبدينوم على الخصائص البنيوية والبصرية والفيزيائية الضوئية والكهربائية لأغشية ZnO الرقيقة وتم التحقيق في تطبيقها المحتمل على خصائص الكشف عن الضوء فوق البنفسجي. تم تأكيد البنية السداسية للأغشية دون أي شوائب أو مراحل إضافية بواسطة حيود الأشعة السينية والتحليل الطيفي رامان. انخفض حجم البلورات من 36 نانومتر إلى 25 نانومتر مع إضافة 3% وزناً من الموليبدينوم في ZnO. أكدت خرائط EDX/SEM الإلكترونية تكوين العناصر وتوزيع تطعيم الموليبدينوم بشكل موحد في جميع أنحاء الأغشية. كشفت صور FESEM عن جسيمات نانوية كروية ذات حجم حبيبات أصغر لمستويات تطعيم الموليبدينوم الأعلى. تم تسجيل أطياف الامتصاص من نطاق الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة، ولوحظ أن فجوة الطاقة زادت من 3.25 إلكترون فولت لـ ZnO النقي إلى 3.42 لعينة ZnO المطعمة بنسبة 3% من الموليبدينوم. أظهر فيلم ZnO المطعم بالموليبدينوم إخماد الفلورية الضوئية (PL)، مما يشير إلى نقل الشحنة وقمع حالات العيوب في أغشية ZnO عبر تطعيم الموليبدينوم. كشفت أطياف الفلورية الزمنية (TRFS) لهذه الأغشية أن عمر الناقل زاد من 80 بيكوثانية لـ ZnO النقي إلى 144 بيكوثانية لفيلم ZnO الرقيق المطعم بنسبة 3% من الموليبدينوم. تم تقييم المعلمات الكهربائية بما في ذلك المقاومة، وحركة الناقل، والتركيزات، ومقاومة الصفيحة للأغشية المصنعة بواسطة قياس تأثير هول. لوحظ أن المقاومة والحركة انخفضتا من 9.33×10^4 أوم.سم، 55.1 سم²/فولت.ثانية إلى 2.03×10^3 أوم.سم، 15.4 سم²/فولت.ثانية لفيلم ZnO الرقيق المطعم بنسبة 3% من الموليبدينوم، بينما زاد تركيز الناقل. أظهرت دراسة الكشف الضوئي أن الاستجابة، والكشفية، والكفاءة الكمية الخارجية، وزمن الاستجابة للأجهزة تحسنت بشكل كبير مع تطعيم الموليبدينوم.
Abstract: This work explored the impact of Mo-doping on the structural, optical, photophysical, and electrical characteristics of ZnO thin films and their potential application to the UV light detection properties was investigated. The hexagonal structure of the films without any impurities or extra phases was confirmed by X-ray diffraction and FT-Raman spectroscopy. The crystallite size reduced from 36 nm to 25 nm with the addition of 3 wt% of Mo in ZnO. The EDX/SEM e-mapping verified the elemental composition and uniform Mo doping throughout the films. The FESEM images revealed spherical nanoparticles with smaller grains size for higher Mo-doping levels. The absorption spectra were recorded from UV to NIR range, and the bandgap was observed to increase from 3.25 eV for pure ZnO to 3.42 for 3% Mo-doped ZnO sample. The Mo-doped ZnO film showed PL quenching, which indicates charge transfer and suppression of defect sates in the ZnO films via Mo-doping. The time-resolved fluorescence spectra (TRFS) of these films revealed that the carrier lifetime increased from 80 ps for pure ZnO to 144 ps for 3% Mo-doped ZnO thin film. The electrical parameters including resistivity, carrier mobility, concentrations, and sheet resistance of fabricated films were evaluated by Hall-effect measurement. The resistivity and mobility were observed to decrease from 9.33×104 Ω.cm, 55.1 cm2/V.s to 2.03×103 Ω.cm 15.4 cm2/V.s for 3% Mo-doped ZnO thin film, while carrier density increased. The photodetection study demonstrated that the responsivity, detectivity, external quantum efficiency and response time of devices were significantly enhanced with Mo idoping.