[論文レビュー] Photoluminescence and High Temperature Persistent Photoconductivity Experiments in SnO2 Nanobelts

Emilson Ribeiro Viana, J. C. González+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2012

Gas Sensing Nanomaterials and Sensors被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、200–400 Kの温度範囲で紫外線照射下におけるSnO2ナノベルトの持続的光伝導性（PPC）および光励起発光を調査した。その結果、PPCは表面に吸着した分子酸素がホールを捕獲することに起因し、熱的イオン化の活性化エネルギーが230 meVであることが示された。これは金属酸化物におけるPPCの原因として一般的に想定されている酸素空孔とは矛盾する。

ABSTRACT

The Persistent Photoconductivity (PPC) effect was studied in individual tin oxide (SnO2) nanobelts as a function of temperature, in air, helium, and vacuum atmospheres, and low temperature Photoluminescence measurements were carried out to study the optical transitions and to determine of the acceptor/donors levels and their best representation inside the band gap. Under ultraviolet (UV) illumination and at temperatures in the range of 200 to 400K we observed a fast and strong enhancement of the photoconductivity, and the maximum value of the photocurrent induced increases as the temperature or the oxygen concentration decreases. By turning off the UV illumination the induced photocurrent decays with lifetimes up to several hours. The photoconductivity and the PPC results were explained by adsorption and desorption of molecular oxygen at the surface of the SnO2 nanobelts. Based on the temperature dependence of the PPC decay an activation energy of 230 meV was found, which corresponds to the energy necessary for thermal ionization of free holes from acceptor levels to the valence band, in agreement with the photoluminescence results presented. The molecular-oxygen recombination with holes is the origin of the PPC effect in metal oxide semiconductors, so that, the PPC effect is not related to the oxygen vacancies, as commonly presented in the literature.

研究の動機と目的

• 高温でのSnO2ナノベルトにおける持続的光伝導性（PPC）の起源を理解すること。
• 異なる大気条件下における表面酸素種の役割が光伝導性に与える影響を調査すること。
• 低温光励起発光を用いてバンドギャップ内の acceptor/donor 状態のエネルギー準位を特定すること。
• 金属酸化物半導体におけるPPCの主な原因は酸素空孔であるという広く共有されている見解に反論すること。

提案手法

• バンドギャップ内の光学遷移および acceptor/donor 水準の特定を目的に、低温光励起発光測定を実施した。
• 200 K～400 Kの温度範囲で、個々のSnO2ナノベルトを紫外線照射下で、in-situ 光伝導性実験を実施した。
• 大気条件（空気、ヘリウム、真空）を変化させ、分子酸素がPPCダイナミクスに果たす役割を分離した。
• 光電流の温度依存的減衰を解析し、表面トラップからのホール放出に必要な活性化エネルギーを抽出した。
• 光励起発光データとPPC挙動を照合することで、表面状態のエネルギー準位割り当てを検証した。
• PPC減衰曲線にアレニウス解析を適用し、捕獲されたホールの熱的イオン化エネルギーを特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温でのSnO2ナノベルトにおける持続的光伝導性の起源は何か？
• RQ2 酸素濃度および大気ガスの変化が、光電流の大きさおよび減衰キネティクスにどのように影響するか？
• RQ3 SnO2ナノベルトにおけるホールの熱的脱捕獲に必要な活性化エネルギーは何か？ また、表面化学とどのように関連するか？
• RQ4 酸素空孔が持続的光伝導性の主な原因であるのか、それとも分子酸素の吸着が支配的メカニズムであるのか？
• RQ5 光励起発光スペクトルは、SnO2における表面欠陥のエネルギー準位とどのように相関するか？

主な発見

• 200 K～400 Kの温度範囲で紫外線照射下において、数時間にわたる持続的光電流が観測された。
• 最大の誘導光電流は、温度が低下するほど、酸素濃度が低下するほど増加し、表面酸素が重要な役割を果たしていることが示された。
• PPC減衰の温度依存性から、230 meVの活性化エネルギーが抽出され、これは acceptor 水準からのホールの熱的イオン化に対応する。
• 光励起発光測定により、バンドギャップ内に acceptor 水準が存在することが確認され、230 meVの活性化エネルギーと整合的であった。
• PPC効果は、酸素空孔ではなく、分子酸素の吸着および光生成ホールとの再結合に起因すると特定された。
• 本結果は、SnO2および他の金属酸化物における持続的光伝導性の原因として酸素空孔が関与しているという従来の解釈に挑戦するものである。