[논문 리뷰] Photoluminescence and High Temperature Persistent Photoconductivity Experiments in SnO2 Nanobelts

Emilson Ribeiro Viana, J. C. González외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 11.

Gas Sensing Nanomaterials and Sensors인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 200–400 K 범위의 온도에서 자외선 조명 하에 SnO2 나노벨트에서 지속적인 광도도성(PPC)과 광발광을 조사한다. 연구는 PPC가 표면에 흡착된 분자 산소가 정공을 트랩함으로써 발생하며, 열 이온화에 대한 활성화 에너지가 230 meV임을 입증한다. 이는 금속 산화물에서 PPC의 원인이 산소 공석이라고 일반적으로 여겨지는 것과 모순된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고온에서 SnO2 나노벨트의 지속적인 광도도성(PPC) 기원을 이해하는 것.
• 다양한 대기 조건에서 표면 산소 종류가 광도도성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 저온 광발광을 이용해 밴드 갭 내 수용체/기증체 상태의 에너지 수준을 결정하는 것.
• 금속 산화물 반도체에서 PPC의 주요 원인이 산소 공석이라고 널리 여겨지는 견해를 도전하는 것.

제안 방법

• 밴드 갭 내 수용체/기증체 수준을 규명하고 광학적 전이를 식별하기 위해 저온 광발광 측정을 수행하였다.
• 200 K에서 400 K 사이의 온도에서 자외선 조명 하에 개별 SnO2 나노벨트에서 현장 광도도성 실험을 실시하였다.
• 대기 조건(공기, He, 진공)을 변화시켜 PPC 동역학에서 분자 산소의 기여를 분리하였다.
• 광전류의 온도 의존성 감쇠를 분석하여 표면 트랩에서 정공을 방출하는 데 필요한 활성화 에너지를 추출하였다.
• 광발광 데이터와 PPC 행동을 연관시켜 표면 상태의 에너지 수준 할당을 검증하였다.
• PPC 감쇠 곡선에 아레니우스 분석을 적용하여 갇힌 정공의 열 이온화 에너지를 결정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온에서 SnO2 나노벨트의 지속적인 광도도성 기원은 무엇인가?
• RQ2 산소 농도와 대기 기체가 다양할 경우 광전류의 크기와 감쇠 동역학은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 SnO2 나노벨트에서 정공의 열적 탈구에 필요한 활성화 에너지는 얼마이며, 이는 표면 화학과 어떻게 관련되는가?
• RQ4 산소 공석이 지속적인 광도도성의 주요 원인인가, 아니면 분자 산소의 흡착이 주요 메커니즘인가?
• RQ5 광발광 스펙트럼은 SnO2에서 표면 결함의 에너지 수준과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 200 K에서 400 K 사이의 온도에서 자외선 조명 하에 지속적인 광전류가 수시간 동안 관찰되었다.
• 최대 유도 광전류는 온도가 낮을수록 산소 농도가 낮을수록 증가하여 표면 산소가 핵심적인 역할을 함을 시사한다.
• PPC 감쇠의 온도 의존성에서 230 meV의 활성화 에너지가 추출되었으며, 이는 수용체 수준에서 정공의 열 이온화를 의미한다.
• 광발광 측정을 통해 밴드 갭 내 수용체 수준의 존재가 확인되었으며, 이는 230 meV의 활성화 에너지와 일치한다.
• PPC 효과는 산소 공석이 아닌 분자 산소의 흡착과 광생성 정공의 재결합에 기인한다.
• 결과는 SnO2 및 기타 금속 산화물에서 지속적인 광도도성의 원인이 산소 공석이라고 보편적으로 해석하는 기존 해석을 도전한다.