Pendahuluan
Detektor ultraviolet (UV) yang tersedia secara komersial berdasarkan tabung photomultiplier rapuh dan besar dan mengalami kesulitan pada tegangan operasi tinggi, yang menghambat banyak aplikasinya. Oleh karena itu, minat penelitian telah berubah menjadi fotodetektor all-solid-state berdasarkan semikonduktor celah pita lebar, seperti SiC, AlGaN, AlN, dan ZnO. Nanorod ZnO heksagonal telah menunjukkan potensi besar sebagai bahan yang menjanjikan dalam detektor UV karena celah pita lebarnya yang dapat diatur (3.2 eV), rasio surface-to-volume yang tinggi, dan peningkatan energi pengikatan rangsangan sebesar 60 meV pada suhu kamar. Namun, meskipun ada kemajuan yang signifikan dalam meningkatkan sensitivitas nanorods ZnO, banyak hal lain yang memerlukan penyelidikan lebih lanjut. Mempertimbangkan meningkatnya minat dalam membuat fotodetektor sensitif berdasarkan struktur nano ZnO, kecepatan deteksi mereka meningkat perlahan [9, 10]. Banyak jenis fotodetektor berbasis ZnO melakukan respons yang lambat, jauh tertinggal dari tabung pengganda foto konvensional. Resistivitas permukaannya yang tinggi, situs perangkap permukaan, dan keadaan antarmuka logam-semikonduktor berkontribusi pada waktu respons yang lambat dari fotodetektor yang dikembangkan. Selain itu, kekosongan oksigen intrinsik yang pasti ada dalam struktur nano ZnO bertanggung jawab untuk menjebak pembawa dan meningkatkan rasio rekombinasi [14]. Oleh karena itu, banyak laporan telah mencoba untuk meningkatkan kualitas kristal substrat ZnO untuk meningkatkan kecepatan deteksi cahayanya. Hasilnya menunjukkan bahwa mengurangi kekosongan oksigen dalam struktur nano ZnO dapat meningkatkan kecepatan fotodeteksi. Namun, perlu dicatat bahwa fotosensitifitas sensor buatan bergantung pada kerapatan kekosongan oksigen. Oleh karena itu, menjaga keseimbangan antara sensitivitas tinggi dan respons cepat sangat menantang dalam fotodetektor berbasis ZnO.
Di sini, penyelidikan eksperimental inovatif dilaporkan tentang efek graphene sebagai lapisan penutup untuk meningkatkan kecepatan deteksi cahaya dalam struktur nano ZnO tanpa menghalangi besarnya arus foto yang meningkat. Untuk tujuan ini, metode pengendapan rendaman kimia dilakukan untuk mendapatkan susunan nanorod ZnO yang sangat selaras. Lapisan GO diendapkan di atas nanorod menggunakan teknik EPD. Selanjutnya, untuk mempelajari efek graphene pada kecepatan deteksi cahaya ZnO nanorods, dibuat fotodetektor metal–semiconductor-metal (MSM), termasuk dua kontak Schottky, dan sifat optoelektrik nanorods ZnO dengan dan tanpa kehadiran lapisan graphene dibandingkan di bawah radiasi UV berdenyut pada suhu kamar. Struktur MSM dipilih untuk pembuatan fotodetektor karena banyak keuntungannya, seperti kapasitansi rendah, bandwidth lebar, arus gelap sangat rendah, dan waktu respons yang cepat, dibandingkan dengan jenis fotodetektor lainnya.
Metode dan Hasil
Substrat kaca soda-kapur dipotong dalam 10 mm 9 10 mm, diikuti dengan pembersihan deterjen, perlakuan ultrasonik dalam etanol, pembilasan dengan air deionisasi, dan pengeringan di bawah radiasi inframerah. Kemudian, lapisan biji seng oksida diendapkan pada substrat yang telah disiapkan menggunakan peralatan sputtering radio frequency (RF) (Edwards Auto 500) dengan disk ZnO murni sebagai target. Sebelum sputtering, jarak substrat ke target ditetapkan pada 7 cm, dan evakuasi ruang dilakukan untuk mencapai tekanan vakum 1.6 9 10–4 mbar. Selama proses sputtering, tekanan gas Ar di dalam chamber dipertahankan pada 6.2 9 10–3 mbar sedangkan daya RF ditetapkan pada 130 W. Deposisi dilakukan di bawah kondisi plasma berkelanjutan sampai ketebalan sekitar 400 nm tercapai. Sampel kemudian dikeluarkan dari ruang vakum dan dianil dalam tungku tabung kuarsa di bawah atmosfir argon ultra-murni pada 200 8C selama 60 menit untuk meningkatkan sifat struktural dari film tipis yang tergagap. Setelah itu, nanorod ZnO ditumbuhkan pada substrat kaca yang diunggulkan menggunakan teknik chemical bath deposition (CBD). Larutan CBD mengandung hexamethylenetetramine (C6H12N4) dan seng nitrat (Zn(NO3)26H2O) dengan konsentrasi molar yang sama (0.01 M). Larutan yang diperoleh diaduk pada suhu kamar selama 10 menit sampai larutan transparan dan homogen tercapai. Untuk menumbuhkan nanorod ZnO, substrat unggulan direndam secara vertikal ke dalam larutan dan proses CBD dilakukan selama dua jam pada suhu 90 oC.
Hasilnya menunjukkan mikrograf FESEM (pandangan datar dan samping) dari nanorod oksida seng yang disintesis dengan dan tanpa lapisan penutup graphene. Gambar 1a menunjukkan tampilan planar dari susunan nanorod ZnO yang kompak, heksagonal, dan sangat berorientasi yang diendapkan pada substrat kaca unggulan. Ini menunjukkan keseragaman dan homogenitas susunan nanorod yang diendapkan dengan diameter rata-rata ~ 80 nm. Morfologi penampang nanorods ZnO murni. Tampilan samping menggambarkan keberhasilan pertumbuhan nanorod seng oksida yang seragam, kompak, dan paralel dengan panjang rata-rata satu mikron. Adanya lapisan rGO yang transparan dan seragam di atas ZnO. Transparansi serpihan rGO memungkinkan pola nanorod terlihat. Tampilan permukaan nanorods rGO/ZnO mengungkapkan sifat nanorods ZnO yang sangat berorientasi dengan morfologi heksagonal. Oleh karena itu, ini menegaskan bahwa kerangka fisik nanorods ZnO tidak rusak selama serpihan EPD GO. Dengan demikian, kinerja optik struktur nano ZnO mungkin tidak terhalang karena penggabungan nanorod dan penurunan penyerapan foton. Tampilan samping sampel yang mengandung rGO menggambarkan bahwa lapisan rGO kontinu dan tidak ada celah antara graphene yang ditransfer dan nanorod. Selain itu, ini menunjukkan bahwa panjang nanorod tetap utuh setelah pengendapan lapisan graphene. Morfologi nanorod mengungkapkan bahwa transfer serpih rGO menggunakan EPD mungkin tidak menghilangkan karakteristik fisik nanorod ZnO. Selain itu, cakupan lengkap nanorod ZnO oleh lapisan graphene dapat memfasilitasi transportasi pembawa dan menghambat variasi spesies kimia pada nanorod ZnO di bawah suhu alternatif dan kondisi sekitar. Sehingga, ini dapat mempromosikan transfer pasangan lubang elektron fotogenerasi dan memfasilitasi mekanisme deteksi cahaya dalam nanorod ZnO.
Hasilnya menunjukkan kurva PL dari susunan nanorod seng oksida dengan dan tanpa lapisan penutup graphene pada suhu kamar. Kedua sampel menunjukkan puncak near-band edge (NBE) yang tajam dan intens pada 394 nm dan emisi tampak luas yang membentang dari 500 hingga 700 nm. Emisi NBE disebabkan oleh rekombinasi pembawa fotogenerasi pada celah pita lebar struktur nano ZnO, sedangkan emisi yang terlihat dikaitkan dengan transisi deep-level emission (DLE) karena kekosongan interstisial dan oksigen. Setelah pengendapan serpih GO, situs kekosongan oksigen intrinsik dalam struktur nano ZnO sebagian ditempati oleh spesies fungsional oksigen yang tersedia dalam graphene oxide, yang menyebabkan penurunan ~ 25% dalam intensitas emisi DLE. Untuk transisi NBE, pengurangan intensitas sebesar ~ 30% tercatat untuk nanorod rGO/ZnO yang dapat dikaitkan dengan sedikit penyerapan foton oleh setiap lapisan graphene (2.3%). Selanjutnya, posisi kedua puncak PL tetap utuh setelah pemindahan lapisan rGO. Oleh karena itu, tidak ada perubahan ukuran kristal dari nanorods ZnO karena deposisi elektroforetik dari lapisan penutup graphene. Berdasarkan mekanisme pengurungan kuantum, dengan mengurangi ukuran kristal struktur nano, pelebaran celah pita akan menyebabkan pergeseran biru PL. Di sini, posisi puncak PL tetap tidak berubah setelah pengendapan lapisan rGO. Oleh karena itu, ukuran kristal nanorods ZnO tidak bervariasi setelah transfer graphene.
Deposisi elektroforetik dari lapisan penutup graphene diusulkan sebagai pendekatan baru untuk meningkatkan kecepatan deteksi ultraviolet dalam nanorod seng oksida. Nanorod ZnO disintesis menggunakan teknik pengendapan rendaman kimia, dan serpihan oksida graphene dipindahkan di atas nanorod yang menyediakan lapisan penutup transparan dan kontinu sambil mempertahankan sifat optik substrat. Morfologi sampel yang mengandung rGO menunjukkan bahwa sifat nanorod ZnO heksagonal yang sangat berorientasi tetap utuh setelah pengendapan lapisan graphene. Spektra Raman menunjukkan pembentukan oksida graphene tereduksi sebagian di atas ZnO nanorods dengan adanya dua emisi signifikan yang terkait dengan pita D dan G graphene dengan rasio ID / IG 1.22, menunjukkan konsentrasi gangguan dan cacat struktural yang rendah pada lapisan graphene. Studi photoluminescence menunjukkan bahwa sifat optik nanorods ZnO tetap utuh setelah pengendapan lapisan rGO.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di: file:///C:/Users/Dekan%20FST/Downloads/J%20Mat%20Sci%20-%20Yasin%20HBA%20-%20Ultrafast%202023-1.pdf
