DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-04-57-67
УДК 621.315.592
Владислав Романович Гресько1*, Виктория Викторовна Смирнова2, Максим Михайлович Сергеев3, Александра Евгеньевна Пушкарева4, Артур Джуракулович Долгополов5, Лилия Александровна Сокура6, Вера Владимировна Брюханова7
1, 2, 3, 4, 5, 6Университет ИТМО, Институт лазерных технологий, Санкт-Петербург, Россия
7Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
1gresko.97@mail.ru https://orcid.org/0000-0003-3308-6034
2smirnova1211.smirnova@yandex.ru https://orcid.org/0000-0002-0349-2296
3mmsergeev@itmo.ru https://orcid.org/0000-0003-2854-9954
4alexandra.pushkareva@gmail.com https://orcid.org/0000-0003-0082-984X
5addolgopolov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-9548-791X
6sokuraliliy@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-9725-5912
7verabryu@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-9862-1387
Аннотация
Предмет исследования. В работе рассмотрены результаты исследований влияния плотности мощности непрерывного лазерного излучения на оптические и электрические характеристики тонких плёнок оксида цинка с наночастицами серебра. Цель работы. Улучшение фотоэлектрических характеристик плёнок ZnO:Ag при помощи лазерного излучения для повышения эффективности фотодетектирования ультрафиолетового излучения. Метод. Модификация свойств плёнок ZnO:Ag проводилась посредством сканирования сфокусированным излучением с длиной волны 405 нм. Плёнки были исследованы методами оптической и электронной микроскопии. Электрическое сопротивление, темновой ток и фототок, возникающий при воздействии излучения с длиной волны 343 нм, измерялись при помощи мультиметра. Основные результаты. Получено, что отношение фототока к темновому току после воздействия излучения с плотностью мощности 16 Вт/см2 увеличивалось с 4,8 до 7,4. Изменялись плазмонные характеристики композитной плёнки, пик плазмонного резонанса при увеличении плотности мощности смещался между 580 нм и 480 нм. Химический состав плёнки в результате лазерного воздействия изменялся незначительно. При этом с увеличением плотности мощности плёнка приобретала пористую структуру. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для повышения эффективности фотодетекторов ультрафиолетового лазерного либо солнечного излучения, изготовленных на основе плёнок ZnO:Ag.
Ключевые слова: тонкие плёнки ZnO, серебряные наночастицы, фототок, лазерное воздействие, фотодетектирование
Благодарность: работа выполнена за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 19-79-10208).
Ссылка для цитирования: Гресько В.Р., Смирнова В.В., Сергеев М.М., Пушкарева А.Е., Долгополов А.Д., Сокура Л.А., Брюханова В.В. Лазерно-индуцированное улучшение фотоэлектрических характеристик тонких плёнок оксида цинка ZnO с наночастицами серебра Ag // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 4. С. 57–67. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-9004-57-67
Код OCIS: 160.5140.
Laser-induced improvement of the photoelectric characteristics of ZnO:Ag thin films
Vladislav Gresko1*, Viktoria Smirnova2, Maxim Sergeev3, Aleksandra Pushkareva4, Arthur Dolgopolov5, Lilia Sokura6, Vera Bryukhanova7
1, 2, 3, 4, 5, 6ITMO University, Institute of Laser Technologies, Saint-Petersburg, Russia
7Saint-Petersburg State University, Saint-Petersburg, Russia
1gresko.97@mail.ru https://orcid.org/0000-0003-3308-6034
2smirnova1211.smirnova@yandex.ru https://orcid.org/0000-0002-0349-2296
3mmsergeev@itmo.ru https://orcid.org/0000-0003-2854-9954
4alexandra.pushkareva@gmail.com https://orcid.org/0000-0003-0082-984X
5addolgopolov@itmo.ru https://orcid.org/0000-0002-9548-791X
6sokuraliliy@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-9725-5912
7verabryu@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-9862-1387
Abstract
Subject of study. The paper considers the results of studies of the influence of the power density of continuous wave laser radiation on the optical and electrical characteristics of ZnO thin films with silver nanoparticles. Aim of study. Improving the photoelectric characteristics of ZnO:Ag films by laser treatment to increase the efficiency of ultraviolet radiation’s photodetection. Method. Modification of the properties of ZnO:Ag films was carried out using focused radiation with a wavelength of 405 nm in the scanning mode. The films were examined using optical and electron microscopy. Electrical resistance, dark current, and photocurrent arising from exposure to radiation with a wavelength of 343 nm were measured using a multimeter. Main results. It was found that the ratio of photocurrent to dark current after exposure to radiation with a power density of 16 W/cm2 increased from 4.8 to 7.4. The plasmon characteristics of the composite film changed, the plasmon resonance peak shifted between 580 nm and 480 nm with increasing power density. The chemical composition of the film changed insignificantly as a result of laser exposure. In this case, as the power density increased, the film acquired a porous structure. Practical significance. The results obtained can be used to improve the efficiency of ultraviolet laser or solar radiation photodetectors based on ZnO:Ag films.
Keywords: ZnO thin films, silver nanoparticles, photosensitivity, laser action, photodetection
Acknowledgment: the work was carried out at the expense of a grant from the Russian Science Foundation (Project № 19-79-10208).
For citation: Gresko V.R., Smirnova V.V., Sergeev M.M., Pushkareva A.E., Dolgopolov A.D., Sokura L.A., Bryukhanov V.V. Laser-induced improvement of the photoelectric characteristics of ZnO:Ag thin films [ In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 4. P. 57–67. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-57-67
OCIS сode: 160.5140.
Список источников
1. Hosono H., Ueda K. Transparent conductive oxides // In Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials / Eds. Kasap S., Capper P. Berlin/Heidelberg: Springer, 2017. P. 1391–1404. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48933-9_58
2. Rwenyagila E.R., Agyei-Tuffour B., Zebaze Kana M.G., Akin-Ojo O., Soboyejo W.O. Optical properties of ZnO/Al/ZnO multilayer films for large area transparent electrodes // Journal of Materials Research. 2014. V. 29. № 24. P. 2912–2920. https://doi.org/10.1557/jmr.2014.298
3. Islam M.M., Ishizuka S., Yamada A., Matsubara K., Niki S., Sakurai T. et al. Thickness study of Al:ZnO film for application as a window layer in Cu(In1–xGax)Se2 thin film solar cell // Applied Surface Science. 2011. V. 257. № 9. P. 4026–4030. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.11.169
4. Karimi-Maleh H., Kumar B.G., Rajendran S., Qin J., Vadivel S., Durgalakshmi D. et al. Tuning of metal oxides photocatalytic performance using Ag nanoparticles integration // Journal of Molecular Liquids. 2020. V. 314. P. 113588. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.113588
5. Castro-Chacón J.H., Torres-Torres C., Khomenko A.V., García-Zárate M.A., Trejo-Valdez M., Martínez-Gutiérrez H., Torres-Martínez R. Encryption of nonlinear optical signals in ZnO: Al thin films by ultrashort laser pulses // Journal of Modern optics. 2017. V. 64. № 6. P. 601–608. https://doi.org/10.1080/09500340.2016.1253880
6. Liu K., Sakurai M., Aono M. ZnO-based ultraviolet photodetectors // Sensors. 2010. V. 10. № 9. P. 8604–8634. https://doi.org/10.3390/s100908604
7. Li Q., Huang J., Meng J., Li Z. Enhanced performance of a self-powered ZnO photodetector by coupling LSPR-inspired pyro-phototronic effect and piezo-phototronic effect // Advanced Optical Materials. 2022. V. 10. № 7. P. 2102468. https://doi.org/10.1002/adom.202102468
8. Singh S., Park S.H. Fabrication and characterization of Al:ZnO based MSM ultraviolet photodetectors // Superlattices and Microstructures. 2015. V. 86. P. 412–417. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2015.08.019
9. Klochko N.P., Klepikova K.S., Khrypunova I.V., Kopach V.R., Tyukhov I.I., Petrushenko S.I., Dukarov S.V., Sukhov V.M., Kirichenko M.V., Khrypunova A.L. Solution-processed flexible broadband ZnO photodetector modified by Ag nanoparticles // Solar Energy. 2022. V. 232. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.12.051
10. Tzeng S.-K., Hon M.-H., Leu I.-C. Improving the performance of a Zinc Oxide nanowire ultraviolet photodetector by adding silver nanoparticles // Journal of the Electrochemical Society. 2012. V. 159. № 4. P. H440. https://doi.org/10.1149/2.088204jes
11. Kim D., Leem J.Y. Crystallization of ZnO thin films via thermal dissipation annealing method for high-performance UV photodetector with ultrahigh response speed // Scientific reports. 2021. V. 11. № 1. P. 1–10. https://doi.org/10.1038/s41598-020-79849-z
12. Nian Q., Zhang M.Y., Schwartz B.D., Cheng G.J. Ultraviolet laser crystallized ZnO:Al films on sapphire with high Hall mobility for simultaneous enhancement of conductivity and transparency // Applied Physics Letters. 2014. V. 104. № 20. P. 201907. https://doi.org/10.1063/1.4879643
13. Destouches N., Crespo-Monteiro N., Vitrant G., Lefkir Y., Reynaud S., Epicier T., Liu Y., Vocanson F., Pigeon F. Self-organized growth of metallic nanoparticles in a thin film under homogeneous and continuous-wave light excitation // Journal of Materials Chemistry. 2014. V. 2. № 31. P. 6256–6263. https://doi.org/10.1039/C4TC00971A
14. Zhang M.Y., Cheng G.J. Highly conductive and transparent alumina-doped ZnO films processed by direct pulsed laser recrystallization at room temperature // Applied Physics Letters. 2011. V. 99. № 5. С. 051904. https://doi.org/10.1063/1.3622645
15. Sokura L.A., Shirshneva-Vaschenko E.V., Kirilenko D.A., Snezhnaia Z.G., Shirshnev P.S., Romanov A.E. Electron-microscopy study of ordered silver nanoparticles synthesized in a ZnO: Al polycrystalline film // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2019. V. 1410. № 1. P. 012170. http://doi.org/10.1088/1742-6596/1410/1/012170
16. Hong C.S., Park H.H., Park H.H., Chang H.J. Optical and electrical properties of ZnO thin film containing nano-sized Ag particles // Journal of Electroceramics. 2009. V. 22. № 4. С. 353–356. https://doi.org/10.1007/s10832-008-9526-y
17. Zhao Y., Jiang Y. Effect of KrF excimer laser irradiation on the properties of ZnO thin films // Journal of Applied Physics. 2008. V. 103. № 11. P. 114903. https://doi.org/10.1063/1.2931005
18. Zhang M.Y., Cheng G.J. Highly conductive and transparent alumina-doped ZnO films processed by direct pulsed laser recrystallization at room temperature // Applied Physics Letters. 2011. V. 99. № 5. P. 051904. https://doi.org/10.1063/1.3622645
