KR102649305B1 - Substrate for UV photodetector comprising plasmonic hybrid nanoparticles, zinc oxide quantum dots and transition metal dichalcogenide and hybrid UV photodetector using the same - Google Patents

Substrate for UV photodetector comprising plasmonic hybrid nanoparticles, zinc oxide quantum dots and transition metal dichalcogenide and hybrid UV photodetector using the same Download PDF

Info

Publication number
KR102649305B1
KR102649305B1 KR1020210183122A KR20210183122A KR102649305B1 KR 102649305 B1 KR102649305 B1 KR 102649305B1 KR 1020210183122 A KR1020210183122 A KR 1020210183122A KR 20210183122 A KR20210183122 A KR 20210183122A KR 102649305 B1 KR102649305 B1 KR 102649305B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
photodetector
zno
hybrid
nps
hnps
Prior art date
Application number
KR1020210183122A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20230094000A (en
Inventor
이지훈
루투자
라케쉬
임술삼
샬말리
아하산
Original Assignee
광운대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광운대학교 산학협력단 filed Critical 광운대학교 산학협력단
Priority to KR1020210183122A priority Critical patent/KR102649305B1/en
Publication of KR20230094000A publication Critical patent/KR20230094000A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102649305B1 publication Critical patent/KR102649305B1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035209Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
    • H01L31/035218Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures the quantum structure being quantum dots
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264Inorganic materials
    • H01L31/032Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H01L31/0324Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIVBVI or AIIBIVCVI chalcogenide compounds, e.g. Pb Sn Te
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/186Particular post-treatment for the devices, e.g. annealing, impurity gettering, short-circuit elimination, recrystallisation
    • H01L31/1864Annealing

Abstract

본 발명은 플라즈모닉 하이브리드 나노입자(HNP), 이산화티타늄(TiO2) 및 그래핀 양자점(GQD)을 포함하는 UV 광검출기용 기판 및 이를 이용하는 UV 광검출기에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 사파이어 기판상에 GQD/TiO2/HNP를 적층한, 높은 광전류 및 광응답성을 갖는 고성능 UV 광검출기용 기판 및 이를 기반으로 한 UV 광검출기에 관한 것이다.The present invention relates to a substrate for a UV photodetector containing plasmonic hybrid nanoparticles (HNP), titanium dioxide (TiO 2 ), and graphene quantum dots (GQD), and a UV photodetector using the same. More specifically, the present invention relates to a substrate for a high-performance UV photodetector with high photocurrent and photoresponsiveness, which is made by stacking GQD/TiO 2 /HNP on a sapphire substrate, and a UV photodetector based on the same.

Description

플라즈모닉 하이브리드 나노입자, ZnO 양자점 및 전이금속 디칼코게니드를 포함하는 UV 광검출기용 기판 및 이를 이용하는 UV 광검출기{Substrate for UV photodetector comprising plasmonic hybrid nanoparticles, zinc oxide quantum dots and transition metal dichalcogenide and hybrid UV photodetector using the same}Substrate for UV photodetector comprising plasmonic hybrid nanoparticles, zinc oxide quantum dots and transition metal dichalcogenide and hybrid UV photodetector using the same}

본 발명은 플라즈모닉 하이브리드 나노입자(plasmonic hybrid nanoparticles, HNP), ZnO 양자점 및 전이금속 디칼코게니드를 포함하는 UV 광검출기용 기판 및 이를 이용하는 UV 광검출기에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 MoS2/ZnO/HNP를 적층한, 높은 광전류 및 광응답성을 갖는 고성능 UV 광검출기용 기판 및 이를 기반으로 한 UV 광검출기에 관한 것이다.The present invention relates to a substrate for a UV photodetector containing plasmonic hybrid nanoparticles (HNP), ZnO quantum dots, and transition metal dichalcogenide, and a UV photodetector using the same. More specifically, the present invention relates to a substrate for a high-performance UV photodetector having high photocurrent and photoresponsiveness, which is a layered layer of MoS 2 /ZnO/HNP, and a UV photodetector based on the same.

오염 모니터링, 생화학 분석, 화염 감지, 위성간 통신, 공장 자동화, 미사일 발사(launching) 탐지의 광범위한 응용으로 인해, 자외선(UV) 광 검출은 많은 연구 관심을 끌었다. 이러한 응용분야에 사용되는 UV 광 검출기는 우수한 광자 흡수, 선형성 및 안정한 광전류의 물질들로 구성된다. 하이브리드 물질 시스템으로 구성된 상기 하이브리드 광검출기 구조는 물질 선택의 유연성으로 인해, 과학적이고, 경제적인 가치를 보여 주었다.Due to its wide range of applications in pollution monitoring, biochemical analysis, flame detection, inter-satellite communication, factory automation, and missile launch detection, ultraviolet (UV) light detection has attracted much research interest. UV photodetectors used in these applications are composed of materials with excellent photon absorption, linearity and stable photocurrent. The hybrid photodetector structure composed of a hybrid material system has shown scientific and economic value due to its flexibility in material selection.

단일 나노-장치 구조 속 다양한 UV-민감성 물질들의 조합은 개선된 광응답성(photoresponsivity), 검출성 및 양자 효율을 달성하기 위한 유망한 루트를 제공할 수 있다. 예를 들면, GaN, SiC, AlN 및 ZnO와 같은 상기 양자- 및 나노구조화된 반도체는 UV 광검출기의 큰 잠재력을 보여주었다. 또한, 플라즈모닉 나노입자(NPs)는 국부표면 플라즈몬 공명 (localized surface plasmon resonance, LSPR)에 의한 유도된 열-전자 주입(hot-electron injection)에 의해 초고속 전하 이동이 가능하므로, 광 검출기 응용분야에서 상당한 잠재력을 나타내었다.The combination of various UV-sensitive materials in a single nano-device structure may provide a promising route to achieve improved photoresponsivity, detectability, and quantum efficiency. For example, the quantum- and nanostructured semiconductors such as GaN, SiC, AlN and ZnO have shown great potential in UV photodetectors. In addition, plasmonic nanoparticles (NPs) are capable of ultrafast charge transfer by hot-electron injection induced by localized surface plasmon resonance (LSPR), making them useful in photodetector applications. showed considerable potential.

본 발명의 배경기술로 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0075898호(2018.07.05. 공개)에는 UV 광검출기의 제조방법에 대해 기재되어 있다.As background technology for the present invention, Korean Patent Publication No. 10-2018-0075898 (published on July 5, 2018) describes a method of manufacturing a UV photodetector.

대한민국 공개특허공보 제10-2018-0075898호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0075898

본 발명의 목적은 높은 광전류 및 광응답성을 구비하는 고성능의 UV 광검출기를 제조할 수 있는 UV 광검출기용 기판을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a substrate for a UV photodetector that can manufacture a high-performance UV photodetector with high photocurrent and photoresponsiveness.

본 발명의 다른 목적은 높은 광전류 및 광응답성을 구비하는 고성능의 UV 광검출기를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a high-performance UV photodetector with high photocurrent and photoresponsiveness.

본 발명의 또 다른 목적은 높은 광전류 및 광응답성을 구비하는 고성능의 UV 광검출기를 효율적으로 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a manufacturing method that can efficiently manufacture a high-performance UV photodetector with high photocurrent and photoresponsiveness.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 더욱 명확하게 된다.Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description, claims, and drawings.

일 측면에 따르면, 베이스 기판; 상기 베이스 기판 상에 형성된 하이브리드 나노입자(hybrid nanoparticles, HNPs)을 포함하는 하이브리드 나노입자층; 상기 하이브리드 나노입자층 상에 형성된 ZnO 양자점(quantum dots, QDs)층; 및 전이금속 디칼코게니드(dichalcogenide) 층을 포함하고, 상기 하이브리드 나노입자(HNPs)는 팔라듐(Pd) 원소를 포함하는 코어; 및 은(Ag) 원소를 포함하는 쉘 층을 포함하는, 코어-쉘 구조의 하이브리드 나노입자(HNPs) 및 복수의 Ag 나노입자를 포함하는, UV 광검출기용 기판이 제공된다. According to one aspect, a base substrate; A hybrid nanoparticle layer containing hybrid nanoparticles (HNPs) formed on the base substrate; A ZnO quantum dot (QDs) layer formed on the hybrid nanoparticle layer; and a transition metal dichalcogenide layer, wherein the hybrid nanoparticles (HNPs) include a core containing a palladium (Pd) element; A substrate for a UV photodetector is provided, including hybrid nanoparticles (HNPs) with a core-shell structure and a plurality of Ag nanoparticles, including a shell layer containing a silver (Ag) element.

일 실시예에 따르면, 상기 베이스 기판은 사파이어(Al2O3)인, UV 광검출기용 기판일 수 있다. According to one embodiment, the base substrate may be a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate for a UV photodetector.

일 실시예에 따르면, 상기 쉘 층의 두께는 5nm 이상 내지 20nm 미만인, UV 광검출기용 기판일 수 있다. According to one embodiment, the shell layer may have a thickness of 5 nm or more and less than 20 nm, and may be a substrate for a UV photodetector.

일 실시예에 따르면, 상기 ZnO 양자점(QDs)은 전극 사이에 150 내지 300μm의 와이드 밴드갭 가지고, 평균 두께는 50nm 이상 내지 300nm 이하인, UV 광검출기용 기판일 수 있다. According to one embodiment, the ZnO quantum dots (QDs) may be a substrate for a UV photodetector, which has a wide band gap of 150 to 300 μm between electrodes and an average thickness of 50 nm to 300 nm.

일 실시예에 따르면, 상기 전이 금속 디칼코게니드(dichalcogenide) 층은 MoS2 나노플레이크로 구성되는, UV 광검출기용 기판일 수 있다.According to one embodiment, the transition metal dichalcogenide layer may be a substrate for a UV photodetector composed of MoS 2 nanoflakes.

다른 측면에 따르면, 본 발명에 기재된 UV 광검출기용 기판; 및 상기 UV 검출기용 기판상에 형성된 Au 전극;을 포함하는, UV 광검출기가 제공된다.According to another aspect, a substrate for a UV photodetector according to the present invention; and an Au electrode formed on the UV detector substrate. A UV photodetector is provided, including a.

또 다른 측면에 따르면, 베이스 기판 상에 하이브리드 나노입자(HNPs)를 포함하는 하이브리드 나노입자층을 형성하는 하이브리드 나노입자층 형성단계; 상기 하이브리드 나노입자층 상에 ZnO 양자점층을 형성하는 양자점층 형성단계; 및 ZnO 양자점층 상에 전이 금속 디칼코게니드(dichalcogenide) 층을 형성하는 단계를 포함하는 UV 광검출기 제조방법이 제공된다.According to another aspect, a hybrid nanoparticle layer forming step of forming a hybrid nanoparticle layer containing hybrid nanoparticles (HNPs) on a base substrate; A quantum dot layer forming step of forming a ZnO quantum dot layer on the hybrid nanoparticle layer; and forming a transition metal dichalcogenide layer on the ZnO quantum dot layer.

일 실시예에 따르면, 상기 하이브리드 나노입자층 형성 단계는 상기 베이스 기판상에 서로 분리된 복수의 제1 금속의 나노입자 섬(islands)를 형성하는 단계; 및 상기 제1 금속의 나노입자 섬 상에 제2 금속을 증착하고, 550 내지 650℃에서 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the hybrid nanoparticle layer forming step includes forming a plurality of nanoparticle islands of a first metal separated from each other on the base substrate; And it may include depositing a second metal on the nanoparticle island of the first metal and annealing it at 550 to 650°C.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 금속은 Pd이며, 상기 제2 금속은 Ag이고, 상기 하이브리드 나노입자(HNPs)는 PdAg 일 수 있다. According to one embodiment, the first metal may be Pd, the second metal may be Ag, and the hybrid nanoparticles (HNPs) may be PdAg.

일 실시예에 따르면, 상기 증착된 제 2 금속의 두께는 1nm 이상 내지 20nm 미만일 수 있다. According to one embodiment, the thickness of the deposited second metal may be 1 nm or more and less than 20 nm.

일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 광검출기용 기판에 포함된 ZnO 양자점 및 전이 금속 디칼코게니드(dichalcogenide) MoS2 나노플레이크 (NFs)를 포함한, MoS2/ZnO/하이브리드 나노입자(HNPs)로 이루어진 하이브리드 나노구조는 우수한 광학특성으로, 광검출기의 높은 핫 스팟과 높은 광전류 및 광응답성을 현저하게 개선하여, 우수한 LSPR를 제공할 수 있다. According to one embodiment, MoS 2 /ZnO/hybrid nanoparticles (HNPs), including ZnO quantum dots and transition metal dichalcogenide MoS 2 nanoflakes (NFs) included in the substrate for the photodetector according to the present invention. The resulting hybrid nanostructure has excellent optical properties and can significantly improve the high hot spot, high photocurrent, and photoresponsiveness of the photodetector, providing excellent LSPR.

일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 기판 구조는 본 발명에 따른 전이 금속 디칼코게니드(dichalcogenide) MoS2 나노플레이크를 사용하여 효율적인 광투과를 제공할 수 있어, 이에 따른 광검출기 응용 분야에 큰 이점을 제공할 수 있다.According to one embodiment, the substrate structure according to the present invention can provide efficient light transmission using the transition metal dichalcogenide MoS 2 nanoflake according to the present invention, thereby providing a great advantage for photodetector applications. can be provided.

일 실시예에 따르면, 우수한 광이용률 및 광학특성의 MoS2/ZnO/HNPs의 하이브리드 나노구조에 의해 본 발명의 UV 광검출기는 높은 광전류 및 광응답성을 가질 수 있다.According to one embodiment, the UV photodetector of the present invention can have high photocurrent and photoresponsiveness due to the hybrid nanostructure of MoS 2 /ZnO/HNPs with excellent light availability and optical properties.

일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 UV 광검출기는 높은 흡광 효율을 갖고, 근적외선, 가시광선 및 자외선 영역에서도 강력한 국소적 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 효과를 나타내고, 광반응성을 개선할 수 있다.According to one embodiment, the UV photodetector according to the present invention has high light absorption efficiency, exhibits a strong localized surface plasmon resonance (LSPR) effect even in the near-infrared, visible, and ultraviolet regions, and can improve photoresponsiveness.

일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 UV 광검출기의 제조 방법은 높은 광전류 및 광응답성을 구비하는 고성능의 UV 광검출기를 효율적으로 제조할 수 있다.According to one embodiment, the method for manufacturing a UV photodetector according to the present invention can efficiently manufacture a high-performance UV photodetector with high photocurrent and photoresponsiveness.

도 1의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 MoS2 나노플레이크/ZnO 양자점(QDs)/PdAg 하이브리드 나노입자(HNP)를 포함하는 광검출기의 아키텍처에 대한 개략도를 나타낸다.
도 1의 (b)는 10V에서 54.9 mW/mm2의 385 nm 조명하에서, 다양한 장치, 즉, 본 발명에 따른 MoS2/ZnO/HNPs 하이브리드 장치, ZnO/HNPs 및 순수 ZnO 장치의 광응답을 나타낸다.
도 1의 (c)는 본 발명에 따른 PdAg HNPs 제조방법을 개략적으로 나타낸다.
도 1의 (d)는 본 발명에 따른 PdAg HNPs의 국소적 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 효과를 나타낸다.
도 1의 (e)는 본 발명에 따른 MoS2/ZnO/HNPs 하이브리드 장치 아키텍처의 전하이동 및 광전류 강화를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 Pd NP 템플릿 상에 10nm의 Ag 코팅 후 120초 동안 0 내지 600 ℃ 사이의 다양한 온도에서 어닐링하여, 제조된 PdAg 하이브리드 나노 입자의 생성(evolution)을 나타낸다. (a)는 PdAg HNP 제조단계를 개략적으로 나타낸 것이며, (b) 내지 (e)는 순수(bare) Pd NPs 및 PdAg HNPs의 AFM 평면도를 나타낸다. (b-1) 내지 (e-1)는 코어-쉘 PdAg NPs 및 백그라운드 Ag NPs를 보여주는 확대된 평면도를 나타낸다. (b-2) 내지 (e-2)는 1차 NPs의 라인 프로파일(Line-profiles)을 나타낸다. (c-3) 내지 (e-3)는 백그라운드 Ag NPs의 라인 프로파일(Line-profiles)을 나타낸다. (f)는 전체 표면적 비율(SAR) 및 근 평균 제곱근 (RMS) 거칠기(Rq)의 요약 플롯을 나타낸다.
도 3은 400 및 600 ℃에서 10 nm Ag 코팅하여 제조된 PdAg HNPs의 SEM 및 EDS 원소 분석을 나타낸다. (a-1) 내지 (a-4)는 Pd Lα1, Ag Lα1, Al Kα1 및 O Kα1에 해당하는 EDS 위상 맵(phase maps)을 나타낸다. (b) 내지 (b-1)는 400 ℃에서 AFM 측면도 및 해당 HNPs 의 라인프로파일을 나타낸다. (c) 내지 (c-2)는 Ag Lα1 및 Pd Lα1의 EDS 라인 프로파일을 나타낸다. (d) 내지 (e)는 600 ℃에서 HNPs의 SEM 이미지를 나타낸다. (e-1) 내지 (e-4)는 (e)에 해당하는 SEM 이미지에 표시된 다양한 원소들의 EDS 위상 맵을 나타낸다.
도 4는 UV-VIS-NIR 스펙트럼을 기반으로, 10 nm Ag 코팅하여 제조된 PdAg HNPs의 국소 표면 플라즈몬 공명 (LSPR) 응답을 나타낸다. (a)는 270 - 1100 nm 영역의 소광 스펙트럼(Extinction spectra)을 나타낸다. (a-1)는 400 - 700 nm 영역 내에 해당하는 정규 스펙트럼(normalized spectra)을 나타낸다. (a-2)는 HNPs의 생성을 기반으로, 소광 피크 위치 및 넓이를 보여주는 등고선 플롯(Contour plots)을 나타낸다. (b) 내지 (c)는 PdAg HNPs의 반사 및 투과 스펙트럼을 나타낸다. (d)는 Pd, Au, 코어-쉘 PdAg 및 PdAg 하이브리드 NPs의 시뮬레이션 개략도를 나타낸다. (e) 내지 (h)는 유한 차분 시간 영역(the finite-difference time-domain, FDTD)에 따른 다양한 NPs의 국소 전기장(Local e-field) 분포를 나타낸다. (e-1) 내지 (h-1)는 FDTD 시뮬레이션의 해당 측면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 MoS2/ZnO/HNP의 AFM 평면도를 나타낸다. (a-1)는 (a) AFM 평면도의 라인 프로파일(Line-profile)을 나타낸다. (b)는 MoS2/ZnO/HNP 단면의 단면 후방 산란 전자 검출기(The cross-sectional backscattering electron detector, BSE) 이미지를 나타낸다. (c)는 MoS2/ZnO/HNP 단면의 SEM 이미지를 나타낸다. (c-1) 내지 (c-5)는 표지된 원소의 EDS 맵을 나타낸다. (d)는 ZnO/HNP 인터페이스의 확대된 단면을 나타낸다. (d-1) 내지 (d-5)는 EDS라인에 따른 EDS 라인 분석을 나타낸다. (e)는 ZnO QDs의 라만 스펙트럼을 나타낸다. (f)는 MoS2 나노플레이크의라만스펙트럼을 나타낸다. (f-1) 300 내지 500 cm-1사이의 확대된 스펙트럼을 나타낸다.
도 6은 385 nm 발광다이오드(LED)의 조명하에서, 순수 ZnO, ZnO/HNP 및 MoS2/ZnO/HNP 광 검출기의 광응답 특성을 나타낸다. (a)는 MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 광 검출기 아키텍처를 개략적으로 나타낸다. (b)는 ± 10 V의 54.9 mW/mm2에서 다양한 장치의 광전류 응답을 나타내며, 음각(Inset)은 각 장치의 암전류를 나타낸다. (c)는 다른 전력 밀도에서, MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 광검출기의 광전류 변화(Photocurrent variation)를 나타낸다. (d) 내지 (f)는 10 V의 다양한 입사 전력(incident power)에서 장치의 광전류 응답(Photocurrent responses)을 나타낸다. (g) 내지 (i)는 10 V에서, 385 nm LED의 입사 전력 변화를 기반으로, 광응답성(photoresponsivity), 검출감도(detectivity) 및 외부 양자효율(external quantum efficiency, EQE)의 요약 플롯을 나타낸다.
도 7의 (a) 내지 (c)는 10 V의 385 nm의 온/오프 스위칭을 기반으로, 광검출기의 일시적인 광응답을 나타낸다. 상기 LED 전력 밀도는 54.9 mW/mm2로 고정되었다. (d) 내지 (f) UV 온/오프 시 10V에서 다양한 장치의 과도 현상 분석(Transient analyses)을 나타낸다. (g)는 54.9 mW/mm2의 385 nm 조명하의 1, 5 및 10 V에서 전압-의존 응답성(responsivity)을 나타낸다. (h)는 유한 차분 시간 영역(the finite-difference time-domain, FDTD)에 따른 MoS2/ZnO/HNP의 국소 전기장(Local e-field) 분포를 나타낸다. (i)는 MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 광검출기의 에너지 밴다이어 그램을 개략적으로 나타낸다.
도 8의 (a) 내지 (b)는 순수 및 탈기된 사파이어(0001) 기판의 AFM 평면도를 나타낸다. (a-1) 내지 (a-2) 및 (b-1) 내지 (b-2)는 순수 및 탈기된 사파이어 각각의 AFM 측면도 및 해당 라인 프로파일을 나타낸다. (c) 내지 (d)는 270 내지 1100 nm 사이의 반사 및 투과 스펙트럼을 나타낸다. 상기 사파이어 웨이퍼는 6 × 6 mm2 샘플 크기로 절단되었고, 1.0 × 104 torr, 600 ℃에서 30 min 동안 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition, PLD) 챔버에서 탈기되었다. 탈기 후 UV-VIS-NIR 영역에서 0.3 nm 미만의 모듈레이션을 가진 매끄러운 표면, 평면 광투과(flat optical transmittance) 및 반사가 관찰되었다.
도 9의 (a) 내지 (e)는 HNPs/ZnO/MoS2 광검출기 아키텍처의 개략도를 나타낸다. (b-1)는 전형적인 HNPs의 SEM 및 EDS 원소 위상 맵을 나타낸다. (f)는 순수 ZnO, HNPs, ZnO/HNPs 및 MoS2/ZnO/HNPs의 소광 스펙트럼을 나타낸다. (g)는 385 nm 조명하의 10 V에서 순수 ZnO, NPs/ZnO 및 NPs/ZnO/MoS2와 같은 다양한 장치의 광응답을 나타낸다. (h)는 다양한 전력 밀도에서 385 nm 여기를 갖는 광 검출기의 해당 광응답성(photoresponsivity)을 나타낸다.
도 10은 사파이어(0001) 상에 800 ℃에서 450s 동안 어닐링된 30 nm Pd 필름으로 제작된 단일 금속(Monometallic)의 순수 Pd NP 템플릿을 나타낸다. (a)는 Pd 템플릿의 측면도를 나타낸다. (a-1)는 Pt 템플릿의 단면 라인 프로파일을 나타낸다. (a-2)는 Pd NPs의 높이 분포(Height distribution)를 나타낸다. (a-3)는 Pd NPs 의 직경 분포(Diameter distribution)를 나타낸다. (a-4)는 280 - 1100 nm 영역에서 Pd NPs의 투과(Transmittance, T), 반사(reflectance, R) 및 소광(extinction, E) 스펙트럼을 나타낸다.
도 11는 10 nm Ag로 코팅된 코어-쉘 PdAg 하이브리드 나노 파티클(HNPs)의 대-규모 몰폴로지(Large-scale morphology)를 나타낸다. (a) 내지 (c)는 PdAg HNPs (3 × 3 μm2)의 AFM 측면도를 나타낸다. (a-1) 내지 (c-1) 는 해당 라인 프로파일을 나타낸다. (d) 내지 (f)는 평균 거칠기(Ra), 제곱 평균 제곱근(RMS) 거칠기(Rq) 및 표면적 비율(SAR)의 요약 플롯을 나타낸다.
도 12의 (a) 내지 (c)는 10 nm Ag 코팅 후 표지된 상이한 온도에서 어닐링된 PdAg HNPs에 대한 EDS 스펙트럼을 나타낸다. (a-1) 내지 (c-1) 는 해당 원소들의 확대된 강도 및 피크 위치를 나타낸다. (a-2) 내지 (c-2)는 중량, 원자 백분율이 표기된 EDS 원소 조성표를 나타낸다.
도 13은 30 nm Pd NP 템플릿 상에 5 nm Ag 코팅 후 0 내지 600 ℃에서 어닐링된 코어-쉘 PdAg HNPs를 나타낸다. (a) 내지 (d)는 AFM 평면도(3 × 3 μm2)를 나타낸다. (a-1) 내지 (d-1)는 750 × 750 nm2의 확대된 AFM 평면도를 나타낸다. (a-2) 내지 (d-2)는 전형적인 PdAg HNPs의 확대된 측면도를 나타낸다. (a-3) 내지 (d-3)는 코어-쉘 NPs상의 단면 라인 프로파일을 나타낸다. (b-4) 내지 (d-4)는 백그라운드 Ag NPs상의 단면 라인 프로파일을 나타낸다. (e)는 Rq 및 SAR의 요약 플롯을 나타낸다.
도 14는 5 nm Ag 코팅 후 어닐링된 PdAg HNPs의 대-규모 몰폴로지 분석을 나타낸다. (a) 내지 (c)는 PdAg 하이브리드 NPs (3 × 3 μm2)의 AFM 측면도를 나타낸다. (a-1) 내지 (c-1)는 해당하는 라인 프로파일을 나타낸다. (d) 내지 (g)는 Ra, Rq 및 SAR의 요약 플롯을 나타낸다.
도 15는 5 nm Ag 로 코팅된 PdAg HNPs의 EDS 스펙트럼을 나타낸다. (a) 내지 (c)는 EDS 스펙트럼을 나타낸다. (a-1) 내지 (c-1)는 해당 원소의 확대된 피크 위치를 나타낸다. (a-2) 내지 (c-2)는 중량 및 원자 백분율이 표기된 원소 조성 요약을 나타낸다.
도 16의 (a) 내지 (c)는 5 nm Ag 코팅된 PdAg HNPs의 소광, 투과 및 반사 스펙트럼을 나타낸다. (a)는 270 - 1100 nm 영역의 소광 스펙트럼을 나타낸다. (a-1)는 400 - 700 nm 영역 내의 정규화 스펙트럼을 나타낸다. (a-2)는 소광 피크 위치의 이동을 보여주는 등고선 플롯(Contour plots)을 나타낸다.
도 17은 30 nm Pd NP상에 20 nm Ag 코팅 후 상이한 온도에서 어닐링되어, 완전히 합금된 PdAg NPs의 대-규모 몰폴로지 분석을 나타낸다. (a) 내지 (c)는 완전히 합금된 PdAg NPs (3 × 3 μm2)의 AFM 측면도를 나타낸다. (a-1) 내지 (c-1)는 해당 라인 프로파일을 나타낸다. (d) 내지 (f)는 Ra, Rq 및 SAR의 요약 플롯을 나타낸다.
도 18은 400 ℃에서 30 nm Pd NP 상에 20 nm Ag 코팅된 완전히 합금된 PdAg NPs의 SEM 및 EDS 원소 맵핑을 나타낸다. (a)은 SEM 이미지, (b)내지 (b-1)는 AFM 이미지 및 해당 라인 프로파일을 나타낸다. (c) 내지 (f)는 (a)의 SEM 이미지에서 Pd, Ag, Al 및 O 맵을 나타낸다. (g) 내지 (i)는 EDS 라인 프로파일 분석을 나타낸다.
도 19는 30 nm Pd NP 상에 20 nm Ag 코팅된 완전히 합금된 PdAg의 대-규모 몰폴로지를 나타낸다. (a) 내지 (c)는 AFM (3 × 3 μm2) 평면도를 나타낸다. (b-1) 내지 (b-3)는 400 ℃에서 PdAg로 합금된 NPs의 SEM 이미지 및 해당 위상 맵을 나타낸다. (d) 내지 (f)는 Rq, SAR 및 원자 백분율의 플롯을 나타낸다.
도 20은 상이한 온도에서 20 nm Ag 코팅된 완전히 합금된 PdAg NPs의 EDS 스펙트럼을 나타낸다. (a) 내지 (c)는 EDS 스펙트럼을 나타낸다. (a-1) 내지 (c-1)는 확대된 피크 위치를 나타낸다. (a-2) 내지 (c-2)는 EDS 원소 조성표를 나타낸다.
도 21의 (a) 내지 (c)는 20 nm Ag 코팅된 완전히 합금된 PdAg 및 PtAg NPs의 소광(Extinction), 반사(reflectance) 및 투과(transmittance) 스펙트럼을 나타낸다. (a)는 270 - 1100 nm 영역에서 소광 스펙트럼을 나타낸다. (a-1)는 400 - 700 nm 영역에서의 정규화 스펙트럼의 강도를 나타낸다. (a-2)는 LSPR 피크 위치의 이동을 보여주는 등고선 플롯을 나타낸다.
도 22는 다양한 NP 및 하이브리드 구성(configuration)의 유한차분 시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 나타낸다. (a) 내지 (e)는 전형적인 Pd, Ag, 코어-쉘 PdAg, 하이브리드 PdAg, MoS2/ZnO/HNP 구성의 개략도를 나타낸다. (a-1) 내지 (e-1)는 국소 전기장 분포의 평면도를 나타낸다. (a-2) 내지 (e-2)는 해당 국소 전기장 분포의 측면도를 나타낸다.
도 23의 (a) 내지 (b)는 사파이어 상의 ZnO QDs 및 PdAg HNPs (ZnO/HNP)상의 ZnO QDs를 나타낸다. (a-1) 내지 (b-1)는 (a) 및 (b)의 해당 AFM 이미지의 라인 프로파일을 나타낸다. (c)는 Rq 및 SAR의 플롯을 나타낸다. (d)는 광학 측정 시스템의 개략도를 나타낸다. (e) 내지 (g)는 순수 ZnO, ZnO/HNP 및 MoS2/ZnO/HNP의 소광, 투과, 및 반사 스펙트럼을 나타낸다.
도 24의 (a)는 사파이어 상의 순수 ZnO QDs의 EDS 스펙트럼을 나타낸다. (b)는 사파이어 상의 ZnO QDs의 원소 맵을 나타낸다. (c)는 PdAg HNPs (ZnO/HNP)상의 ZnO의 EDS 스펙트럼을 나타낸다.
도 25는 ZnO QD 및 HNP 인터페이스에서 단면 EDS 분석을 나타낸다. (a)는 조합된 EDS 맵을 나타낸다. (b)는 EDS 스펙트럼 영역의 SEM 이미지를 나타낸다. (c)는 EDS 스펙트럼을 나타낸다. (d)는 중량 및 원자 백분율이 표기된 해당 EDS 원소 조성표를 나타낸다.
도 26의 (a) 내지 (c)는 1, 5 및 10V에서 54.9mW/mm2의 385nm 조명 하에서 순수 ZnO QD, ZnO/HNP, MoS2/ZnO/HNP 장치의 전압 의존 특성을 나타낸다. (d) 내지 (f)는 상이한 전압에서 385 nm의 여기로 측정된 응답성, 검출감도 및 EQE의 요약 플롯을 나타낸다.
도 27은 1.6 mW/mm2에서 275 nm의 조명 하에서 순수 ZnO QD, ZnO/HNP, MoS2/ZnO/HNP 장치의 전압 및 파장 의존 특성을 나타낸다. (a) 내지 (c)는 1, 5 및 10V에서 1.6mW/mm2에서 275nm하의 다양한 UV 광검출기의 광응답을 나타낸다. (d) 내지 (f)는 10V에서 1.6mW/mm2의 고정된 전력 밀도를 가진 UV와 NIR 영역 사이의 파장-의존적 응답성, 검출감도 및 EQE의 요약 플롯을 나타낸다.
Figure 1 (a) shows a schematic diagram of the architecture of a photodetector including MoS 2 nanoflake/ZnO quantum dots (QDs)/PdAg hybrid nanoparticles (HNP) according to an embodiment of the present invention.
Figure 1(b) shows the photoresponse of various devices, namely, MoS 2 /ZnO/HNPs hybrid device, ZnO/HNPs and pure ZnO device according to the present invention, under 385 nm illumination of 54.9 mW/mm 2 at 10V. .
Figure 1(c) schematically shows the method for producing PdAg HNPs according to the present invention.
Figure 1(d) shows the localized surface plasmon resonance (LSPR) effect of PdAg HNPs according to the present invention.
Figure 1(e) schematically shows the charge transfer and photocurrent enhancement of the MoS 2 /ZnO/HNPs hybrid device architecture according to the present invention.
Figure 2 shows the evolution of PdAg hybrid nanoparticles prepared by coating 10 nm of Ag on a Pd NP template and then annealing at various temperatures between 0 and 600 °C for 120 seconds. (a) schematically shows the manufacturing steps of PdAg HNPs, and (b) to (e) show AFM top views of bare Pd NPs and PdAg HNPs. (b-1) to (e-1) show enlarged top views showing core-shell PdAg NPs and background Ag NPs. (b-2) to (e-2) show the line-profiles of primary NPs. (c-3) to (e-3) show line-profiles of background Ag NPs. (f) shows a summary plot of total surface area ratio (SAR) and root mean square (RMS) roughness (Rq).
Figure 3 shows SEM and EDS elemental analysis of PdAg HNPs prepared with 10 nm Ag coating at 400 and 600 °C. (a-1) to (a-4) show EDS phase maps corresponding to Pd Lα1, Ag Lα1, Al Kα1, and O Kα1. (b) to (b-1) show the AFM side view and line profile of the corresponding HNPs at 400 °C. (c) to (c-2) show the EDS line profiles of Ag Lα1 and Pd Lα1. (d) to (e) show SEM images of HNPs at 600 °C. (e-1) to (e-4) show EDS phase maps of various elements shown in the SEM image corresponding to (e).
Figure 4 shows the localized surface plasmon resonance (LSPR) response of PdAg HNPs prepared with 10 nm Ag coating, based on UV-VIS-NIR spectra. (a) shows the extinction spectrum in the 270-1100 nm region. (a-1) represents the normalized spectrum corresponding to the 400-700 nm region. (a-2) shows contour plots showing the quenching peak location and area based on the generation of HNPs. (b) to (c) show the reflection and transmission spectra of PdAg HNPs. (d) shows the simulation schematic of Pd, Au, core-shell PdAg, and PdAg hybrid NPs. (e) to (h) show the local electric field (Local e-field) distribution of various NPs according to the finite-difference time-domain (FDTD). (e-1) to (h-1) show the corresponding side views of the FDTD simulation.
Figure 5 shows an AFM top view of MoS 2 /ZnO/HNP according to the present invention. (a-1) shows the line profile of (a) AFM plan view. (b) shows the cross-sectional backscattering electron detector (BSE) image of the cross section of MoS 2 /ZnO/HNP. (c) shows the SEM image of the cross section of MoS 2 /ZnO/HNP. (c-1) to (c-5) show EDS maps of labeled elements. (d) shows an enlarged cross-section of the ZnO/HNP interface. (d-1) to (d-5) show EDS line analysis according to the EDS line. (e) shows the Raman spectrum of ZnO QDs. (f) shows the Raman spectrum of MoS 2 nanoflake. (f-1) represents an expanded spectrum between 300 and 500 cm -1 .
Figure 6 shows the photoresponse characteristics of pure ZnO, ZnO/HNP, and MoS 2 /ZnO/HNP photodetectors under the illumination of a 385 nm light emitting diode (LED). (a) schematically shows the MoS 2 /ZnO/HNP hybrid photodetector architecture. (b) shows the photocurrent response of various devices at 54.9 mW/mm 2 at ±10 V, and the inset indicates the dark current of each device. (c) shows the photocurrent variation of the MoS 2 /ZnO/HNP hybrid photodetector at different power densities. (d) to (f) show the photocurrent responses of the device at various incident powers of 10 V. (g) to (i) are summary plots of photoresponsivity, detection sensitivity, and external quantum efficiency (EQE) based on the change in incident power of the 385 nm LED at 10 V. indicates.
Figures 7 (a) to (c) show the transient photoresponse of the photodetector based on on/off switching of 385 nm at 10 V. The LED power density was fixed at 54.9 mW/mm 2 . (d) to (f) show transient analyzes of various devices at 10 V with UV on and off. (g) shows the voltage-dependent responsivity at 1, 5 and 10 V under 385 nm illumination at 54.9 mW/mm 2 . (h) shows the local electric field (Local e-field) distribution of MoS 2 /ZnO/HNP according to the finite-difference time-domain (FDTD). (i) schematically shows the energy Venn diagram of the MoS 2 /ZnO/HNP hybrid photodetector.
Figures 8 (a) to (b) show AFM top views of pure and degassed sapphire (0001) substrates. (a-1) to (a-2) and (b-1) to (b-2) show AFM side views and corresponding line profiles of pure and degassed sapphire, respectively. (c) to (d) show reflection and transmission spectra between 270 and 1100 nm. The sapphire wafer was cut to a sample size of 6 × 6 mm 2 and degassed in a pulsed laser deposition (PLD) chamber at 1.0 × 104 torr, 600° C. for 30 min. After degassing, a smooth surface, flat optical transmittance, and reflection with a modulation of less than 0.3 nm were observed in the UV-VIS-NIR region.
Figures 9 (a) to (e) show a schematic diagram of the HNPs/ZnO/MoS 2 photodetector architecture. (b-1) shows SEM and EDS elemental phase maps of typical HNPs. (f) shows the extinction spectra of pure ZnO, HNPs, ZnO/HNPs, and MoS 2 /ZnO/HNPs. (g) shows the photoresponse of various devices such as pure ZnO, NPs/ZnO, and NPs/ZnO/MoS 2 at 10 V under 385 nm illumination. (h) shows the corresponding photoresponsivity of the photodetector with 385 nm excitation at various power densities.
Figure 10 shows a monometallic pure Pd NP template fabricated from a 30 nm Pd film annealed at 800 °C for 450 s on sapphire (0001). (a) shows a side view of the Pd template. (a-1) shows the cross-sectional line profile of the Pt template. (a-2) shows the height distribution of Pd NPs. (a-3) shows the diameter distribution of Pd NPs. (a-4) shows the transmission (T), reflection (R), and extinction (E) spectra of Pd NPs in the 280 - 1100 nm region.
Figure 11 shows the large-scale morphology of core-shell PdAg hybrid nanoparticles (HNPs) coated with 10 nm Ag. (a) to (c) show AFM side views of PdAg HNPs (3 × 3 μm 2 ). (a-1) to (c-1) represent the corresponding line profiles. (d) to (f) show summary plots of average roughness (Ra), root mean square (RMS) roughness (Rq) and surface area ratio (SAR).
Figure 12 (a) to (c) show EDS spectra for PdAg HNPs annealed at different temperatures labeled after coating with 10 nm Ag. (a-1) to (c-1) show enlarged intensities and peak positions of the corresponding elements. (a-2) to (c-2) show the EDS element composition table with weight and atomic percentage indicated.
Figure 13 shows core-shell PdAg HNPs coated with 5 nm Ag on a 30 nm Pd NP template and then annealed from 0 to 600 °C. (a) to (d) show the AFM top view (3 × 3 μm 2 ). (a-1) to (d-1) show enlarged AFM top views of 750 × 750 nm 2 . (a-2) to (d-2) show enlarged side views of typical PdAg HNPs. (a-3) to (d-3) show cross-sectional line profiles on core-shell NPs. (b-4) to (d-4) show cross-sectional line profiles on background Ag NPs. (e) shows a summary plot of Rq and SAR.
Figure 14 shows large-scale morphology analysis of PdAg HNPs annealed after 5 nm Ag coating. (a) to (c) show AFM side views of PdAg hybrid NPs (3 × 3 μm 2 ). (a-1) to (c-1) represent the corresponding line profiles. (d) to (g) show summary plots of Ra, Rq and SAR.
Figure 15 shows the EDS spectrum of PdAg HNPs coated with 5 nm Ag. (a) to (c) show EDS spectra. (a-1) to (c-1) represent the enlarged peak positions of the corresponding elements. (a-2) to (c-2) represent a summary of elemental compositions indicated by weight and atomic percentage.
Figures 16 (a) to (c) show the extinction, transmission, and reflection spectra of PdAg HNPs coated with 5 nm Ag. (a) shows the extinction spectrum in the 270 - 1100 nm region. (a-1) represents the normalized spectrum within the 400 - 700 nm region. (a-2) shows contour plots showing the movement of the extinction peak position.
Figure 17 shows large-scale morphology analysis of fully alloyed PdAg NPs, coated with 20 nm Ag on 30 nm Pd NPs and then annealed at different temperatures. (a) to (c) show AFM side views of fully alloyed PdAg NPs (3 × 3 μm 2 ). (a-1) to (c-1) show the corresponding line profiles. (d) to (f) show summary plots of Ra, Rq and SAR.
Figure 18 shows SEM and EDS elemental mapping of fully alloyed PdAg NPs coated with 20 nm Ag on 30 nm Pd NPs at 400 °C. (a) shows the SEM image, (b) to (b-1) show the AFM image and the corresponding line profile. (c) to (f) show the Pd, Ag, Al and O maps in the SEM image in (a). (g) to (i) show EDS line profile analysis.
Figure 19 shows the large-scale morphology of fully alloyed PdAg coated with 20 nm Ag on 30 nm Pd NPs. (a) to (c) show AFM (3 × 3 μm 2 ) top views. (b-1) to (b-3) show SEM images and corresponding phase maps of NPs alloyed with PdAg at 400 °C. (d) to (f) show plots of Rq, SAR and atomic percentage.
Figure 20 shows EDS spectra of fully alloyed PdAg NPs coated with 20 nm Ag at different temperatures. (a) to (c) show EDS spectra. (a-1) to (c-1) show enlarged peak positions. (a-2) to (c-2) represent the EDS element composition table.
Figure 21 (a) to (c) show the extinction, reflection and transmission spectra of fully alloyed PdAg and PtAg NPs coated with 20 nm Ag. (a) shows the extinction spectrum in the 270 - 1100 nm region. (a-1) represents the intensity of the normalized spectrum in the 400 - 700 nm region. (a-2) shows a contour plot showing the movement of the LSPR peak position.
Figure 22 shows finite difference time domain (FDTD) simulations of various NP and hybrid configurations. (a) to (e) show schematic diagrams of typical Pd, Ag, core-shell PdAg, hybrid PdAg, and MoS 2 /ZnO/HNP configurations. (a-1) to (e-1) show top views of local electric field distribution. (a-2) to (e-2) show side views of the corresponding local electric field distribution.
Figures 23 (a) to (b) show ZnO QDs on sapphire and ZnO QDs on PdAg HNPs (ZnO/HNP). (a-1) to (b-1) show the line profiles of the corresponding AFM images of (a) and (b). (c) shows the plot of Rq and SAR. (d) shows a schematic diagram of the optical measurement system. (e) to (g) show the extinction, transmission, and reflection spectra of pure ZnO, ZnO/HNP, and MoS 2 /ZnO/HNP.
Figure 24 (a) shows the EDS spectrum of pure ZnO QDs on sapphire. (b) shows the elemental map of ZnO QDs on sapphire. (c) shows the EDS spectrum of ZnO on PdAg HNPs (ZnO/HNP).
Figure 25 shows cross-sectional EDS analysis at the ZnO QD and HNP interface. (a) shows the assembled EDS map. (b) shows the SEM image of the EDS spectral region. (c) shows the EDS spectrum. (d) shows the corresponding EDS element composition table with weight and atomic percentage indicated.
Figures 26 (a) to (c) show the voltage dependence characteristics of pure ZnO QD, ZnO/HNP, and MoS 2 /ZnO/HNP devices under 385 nm illumination of 54.9 mW/mm 2 at 1, 5, and 10 V. (d) to (f) show summary plots of responsivity, detection sensitivity and EQE measured with excitation at 385 nm at different voltages.
Figure 27 shows the voltage and wavelength dependence characteristics of pure ZnO QD, ZnO/HNP, and MoS 2 /ZnO/HNP devices under illumination of 275 nm at 1.6 mW/mm 2 . (a) to (c) show the photoresponse of various UV photodetectors at 275 nm at 1.6 mW/mm 2 at 1, 5, and 10 V. (d) to (f) show summary plots of wavelength-dependent responsivity, detection sensitivity and EQE between the UV and NIR regions with a fixed power density of 1.6 mW/mm 2 at 10 V.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this application, terms such as 'include' or 'have' are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.In this application, when a part “includes” a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. In addition, throughout the specification, “on” means located above or below the object part, and does not necessarily mean located above the direction of gravity.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.Since the present invention can be modified in various ways and can have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

제1, 제2 등의 용어는 본 발명에서 다양한 구성요소들을 구별하기 위하여 사용되는 것으로써, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 숫자상으로 한정되지 않는다. Terms such as first and second are used to distinguish various components in the present invention, and the components are not limited numerically by the terms.

본 출원의 발명자들은 UV 광검출기의 향상된 성능을 위해 플라스모닉PdAg 하이브리드 나노 입자(HNP), 와이드-밴드갭 ZnO 양자점(QD) 및 전이 금속 디칼코게니드(dichalcogenide) MoS2 나노플레이크를 결합한 하이브리드 UV 광검출기 장치를 고안하였다. 본 발명의 MoS2/ZnO/HNPs 하이브리드 장치는 도 1의 (a)와 같이 구성된다. The inventors of the present application have developed a hybrid UV method combining plasmonic PdAg hybrid nanoparticles (HNPs), wide-bandgap ZnO quantum dots (QDs), and transition metal dichalcogenide MoS 2 nanoflakes for improved performance of UV photodetectors. A photodetector device was designed. The MoS 2 /ZnO / HNPs hybrid device of the present invention is configured as shown in Figure 1 (a).

상기 MoS2/ZnO/HNPs 장치는 광검출기 성능에서 획기적인 향상을 보였으며, 구체적으로, 10 V에서 54.9 mW/mm2의 385 nm 조명하에서 4 × 10-3A의 현저히 증가된 광전류(Iph)를 나타내었다. 또한, 21,111 mA/W의 광응답성(photoresponsivity), 7.9 × 1011 jones의 검출감도 및 6,800 %의 EQE는 ZnO-기반의 UV 광검출기와 비교하여, 우수하다는 것을 확인하였다.The MoS 2 /ZnO / HNPs device showed a significant improvement in photodetector performance, specifically, a significantly increased photocurrent (I ph ) of 4 × 10 −3 A under 385 nm illumination of 54.9 mW/mm 2 at 10 V. indicated. In addition, it was confirmed that the photoresponsivity of 21,111 mA/W, detection sensitivity of 7.9 × 10 11 jones, and EQE of 6,800% were superior compared to the ZnO-based UV photodetector.

상기와 같은 높은 광 전류의 증가 원인은 HNP, ZnO QD층의 본래 광 유도된 캐리어 및 2-D MoS2 나노플레이크로부터의 광캐리어 및 이를 통한 핫 캐리어 주입과 관련이 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다. 또한, 이와 관련하여 광검출기 기판의 표면 형태, 광학 특성 및 FDTD 시뮬레이션을 기반으로 체계적으로 하기에 기술한다.The present invention was completed by confirming that the cause of the increase in the above-mentioned high photo current is related to the original photo-induced carriers of the HNP and ZnO QD layers and the photo carriers from 2-D MoS 2 nanoflakes and hot carrier injection through them. did. In addition, this connection is systematically described below based on the surface morphology, optical properties, and FDTD simulation of the photodetector substrate.

일 측면에 따르면, 베이스 기판; 상기 베이스 기판 상에 형성된 하이브리드 나노입자(hybrid nanoparticles, HNPs)을 포함하는 하이브리드 나노입자층; 상기 하이브리드 나노입자층 상에 형성된 ZnO 양자점(quantum dots, QDs)층; 및 전이 금속 디칼코게니드(dichalcogenide) 층을 포함하고, 상기 하이브리드 나노입자(HNPs)는 팔라듐(Pd) 원소를 포함하는 코어; 및 은(Ag) 원소를 포함하는 쉘 층을 포함하는, 코어-쉘 구조의 하이브리드 나노입자(HNPs) 및 복수의 Ag 나노입자를 포함하는 UV 광검출기용 기판이 제공된다. According to one aspect, a base substrate; A hybrid nanoparticle layer containing hybrid nanoparticles (HNPs) formed on the base substrate; A ZnO quantum dot (QDs) layer formed on the hybrid nanoparticle layer; and a transition metal dichalcogenide layer, wherein the hybrid nanoparticles (HNPs) include a core containing a palladium (Pd) element; A substrate for a UV photodetector is provided, including hybrid nanoparticles (HNPs) with a core-shell structure and a plurality of Ag nanoparticles, including a shell layer containing a silver (Ag) element.

본원의 광검출기용 기판은 HNP, ZnO QD층의 광 캐리어 생성 및 전이 금속 디칼코게니드 특히, 2-D MoS2 나노플레이크로부터 추가적인 광 캐리어를 생성하고 전송함으로써 높은 광 응답성, 우수한 검출감도 및 높은 광전류를 나타내는 것을 특징으로 한다. The substrate for photodetector of the present invention has high photoresponsiveness, excellent detection sensitivity, and high sensitivity by generating and transmitting optical carriers from the HNP and ZnO QD layers and additional optical carriers from transition metal dichalcogenides, especially 2-D MoS 2 nanoflakes. It is characterized by representing photocurrent.

이와 관련하여, 도 1의 (b)에는 MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 장치 구조가 10V에서 54.9 mW/mm2 의 385 nm 조명 하에서, 4 mA 이하의 상당히 개선된 광전류(Iph)를 보임이 나타나 있다. 이는 순수 ZnO와 비교하면, 본 발명에 따른 하이브리드 층이 각각 추가됨에 따라 광전류는 급격하게 증가하였다. 구체적으로, 증가된 광전류는 PdAg HNPs 및 ZnO QD층 상의 본래 광-유도된 캐리어 상부에 2-D MoS2 나노플레이크에 의해 추가적인 광 캐리어 의해 강력하게 개선된 국부 표면 플라즈몬 공명(LSPR)을 통한 핫 캐리어 주입과 관련이 있을 수 있다. 이러한 HNP 구성은 매우 높은 밀도의 핫 스팟과 현저하게 개선된 LSPR를 제공하였다. 상기 MoS2/ZnO/HNP 아키텍처의 광전류 강화(enhancement)는 유한-차분 시간영역 (finite-difference time-domain, FDTD) 시뮬레이션에 의해 체계적으로 연구되었다.In this regard, Figure 1(b) shows that the MoS 2 /ZnO/HNP hybrid device structure shows significantly improved photocurrent (I ph ) of less than 4 mA under 385 nm illumination of 54.9 mW/mm 2 at 10 V. there is. Compared to pure ZnO, the photocurrent increased rapidly as each hybrid layer according to the present invention was added. Specifically, the increased photocurrent was induced by 2-D MoS 2 on top of the pristine photo-induced carriers on the PdAg HNPs and ZnO QD layers. It may be related to hot carrier injection through localized surface plasmon resonance (LSPR), which is strongly enhanced by additional optical carriers by nanoflakes. This HNP configuration provided a very high density of hot spots and significantly improved LSPR. The photocurrent enhancement of the MoS 2 /ZnO/HNP architecture was systematically studied by finite-difference time-domain (FDTD) simulations.

단일 나노-장치 구조 속 다양한 UV-민감성 물질들의 조합은 개선된 광반응성, 검출감도 및 양자 효율을 달성하기 위해, 예를 들면, GaN, SiC, AlN 및 ZnO와 같은 상기 양자화 및 나노 구조화된 반도체 등을 탐구하였고, 이중 3.37eV 이하에서 와이드-밴드갭을 가지며, 높은 여기 결합에너지를 가진 반도체 Zinc oxide (ZnO)가 레이어, 와이어, 로드 및 양자점 등 다양한 형태의 UV 광 검출기에서 우수한 특성이 입증되었다.The combination of various UV-sensitive materials in a single nano-device structure can be used to achieve improved photoresponsivity, detection sensitivity and quantum efficiency, such as protonated and nanostructured semiconductors such as GaN, SiC, AlN and ZnO, etc. was explored, and the semiconductor zinc oxide (ZnO), which has a wide bandgap below 3.37 eV and high excitation binding energy, has been proven to have excellent properties in various types of UV light detectors such as layers, wires, rods, and quantum dots.

플라즈모닉 나노 입자는 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)에 의해 유도된 열-전자 주입에 의해 초고속 전하 이동이 가능함으로, 광 검출기 응용분야에서 상당한 잠재력이 발견되었다. Ag NPs는 그들의 높은 광-포집효율(light-trapping efficiency)에 의해 강한 LSPR 반응을 보였으며, 특히, Pd NPs는 UV 영역에서 LSPR의 높은 벌크-플라즈마 프리퀀시(bulk-plasma frequency)를 보여주었다. 따라서, Ag 및 Pd 모두 단일 나노입자(NP) 구성으로 조합된다면, UV광검출에 유리할 것으로 판단되었다. Plasmonic nanoparticles are capable of ultrafast charge transfer by thermo-electron injection induced by localized surface plasmon resonance (LSPR), and thus have found significant potential in photodetector applications. Ag NPs showed a strong LSPR response due to their high light-trapping efficiency, and in particular, Pd NPs showed a high bulk-plasma frequency of LSPR in the UV region. Therefore, it was judged that it would be advantageous for UV light detection if both Ag and Pd were combined into a single nanoparticle (NP) configuration.

한편, 전이 금속 디칼코게니드 (dichalcogenides, TMDs)라 불리는 물질의 분류에 속하는 이황화몰리브덴(molybdenum disulfide, MoS2)은 다이렉트 밴드 갭(direct bandgap)을 제공할 수 있고, 나노-시트 또는 나노-플레이크와 같은 2D 형태는 충분한 흡수 및 효율적인 투과를 제공하여, 광검출기 응용분야에 큰 이점을 제공할 수 있다. Meanwhile, molybdenum disulfide (MoS 2 ), which belongs to a class of materials called transition metal dichalcogenides (TMDs), can provide a direct bandgap and can be formed into nano-sheets or nano-flakes. The same 2D shape can provide sufficient absorption and efficient transmission, providing great benefits for photodetector applications.

따라서, ZnO 양자점(QDs), 플라즈모닉 하이브리드 NPs 및 2D MoS2 나노플레이크로 구성된 하이브리드 광검출기 구조는 이들 물질로부터 제공되는 물리적 및 광학적 특성들의 이점을 얻을 수 있어, 이전에 결코 시도된 적이 없는 상기 UV 광검출기에 대해 상당한 이점을 제공할 수 있다. Therefore, hybrid photodetector structures composed of ZnO quantum dots (QDs), plasmonic hybrid NPs and 2D MoS 2 nanoflakes can benefit from the physical and optical properties offered by these materials, allowing the UV This can provide significant advantages for photodetectors.

본 발명의 코어-쉘 구조와 관련하여, 도 2에는 Pd NP 템플릿 상에 10 nm 두께의 Ag 코팅을 증착한 PdAg 하이브리드 나노입자(HNPs)의 생성이 나타나 있다. 상기 PdAg HNP는 코어-쉘 구조의 PdAg NPs 및 고-밀도 소형 백그라운드 Ag NPs 로 구성되어 있다. PdAg HNP 제조는 두 단계를 포함하며, 이는 템플릿 Pd NP 제조 단계 및 후속되는 코어-쉘 및 백그라운드 NP가 성장하는 단계이다.Regarding the core-shell structure of the present invention, Figure 2 shows the production of PdAg hybrid nanoparticles (HNPs) by depositing a 10 nm thick Ag coating on a Pd NP template. The PdAg HNP is composed of core-shell structured PdAg NPs and high-density small background Ag NPs. PdAg HNP preparation involves two steps: preparation of template Pd NPs followed by growth of core-shell and background NPs.

도 2의 (a-1)에는 사파이어 상의 얇은 Pd 필름 상에 Pd NPs의 잘 분리된 3D 섬(islands)은 첫번째 단계로, 고체-상태 디웨팅(solid-state dewetting, SSD)에 의해 제조되었다(도 2의 (b) 참조). Pd NPs 의 SSD는 필름과 기판 사이에 계면(interfacial) 에너지의 최적화를 통해 총 표면 자유 에너지의 감소를 기반으로 한다. 도 2의 (b-2)와 같이, 상기 디웨팅 후, Pd NPs는 110 nm 이하의 높이 및 400 nm 넓이에 도달하였다. 두번째 단계로, PdAg 코어-쉘 NPs는 도 2의 (a-3) 및 (a-4)에 게시된 바와 같이, Ag 필름 증착 후 어닐링을 통해, 백그라운드 Ag NPs와 함께 제조된다. 상기 Ag 흡착원자(adatoms)는 1차 Pd NPs 의 높은 화학 포텐셜 위치(sites)로 확산되어, 코어-쉘 구성(configuration)을 형성할 수 있다.In Figure 2(a-1), well-separated 3D islands of Pd NPs on a thin Pd film on sapphire were prepared by solid-state dewetting (SSD) as a first step ( (see Figure 2(b)). The SSD of Pd NPs is based on the reduction of the total surface free energy through optimization of the interfacial energy between the film and the substrate. As shown in Figure 2 (b-2), after the dewetting, the Pd NPs reached a height of 110 nm or less and a width of 400 nm. In the second step, PdAg core-shell NPs are prepared together with background Ag NPs through Ag film deposition followed by annealing, as shown in (a-3) and (a-4) of Figure 2. The Ag adatoms can diffuse into high chemical potential sites of primary Pd NPs, forming a core-shell configuration.

도 3은 400 및 600 ℃에서 하이브리드 PdAg NPs의 SEM 및 EDS 분석을 보여준다. 해당 원소 피크를 가진 해당 EDS 스펙트럼이 도 12에 나타나 있다. 첫째, 도 3의 (a-1) 및 3의 (e-1)에서, 위상 맵(phase maps)은 1차 NP위치에서만, Pd 원자의 존재를 명확하게 나타낸다. 도 3의 (a-2) 및 3의 (e-4)에서, Ag 원자는 Pd NP 위치 상에 더 높은 강도를 가진 표면 어디서든 관찰되었다. 이는 Ag 및 백그라운드 Ag NP로 둘러싸인(shelled) Pd NPs는 표면 전반에 걸쳐 제조되었다는 것을 명확하게 보여준다. 논의한 바와 같이, 상기 Ag 함량(count)은 Pd NPs의 더 높은 화학포텐셜 위치로 우선적으로 확산하기 때문에, Pd NPs 위치에서 더 높을 수 있다. 1차 NP의 EDS 라인 프로파일(line-profiles)은 도 3의 (c) 내지 3의 (c-2)에 나타나 있으며, 이는 본래 Pd NP 위치 상에 Pd 및 Ag의 존재를 보여준다. 상기 하이브리드 NPs는 Ag의 어떤 현저한 승화(sublimation)도 없이, 안정성을 유지하고, 이는 도 12에 나타난 바와 같이, Ag 및 Pd의 원소 비율(elemental ratio)에 의해 확인되었다. Figure 3 shows SEM and EDS analysis of hybrid PdAg NPs at 400 and 600 °C. The corresponding EDS spectrum with the corresponding elemental peaks is shown in Figure 12. First, in Figures 3(a-1) and 3(e-1), the phase maps clearly indicate the presence of Pd atoms only at the primary NP position. In Figures 3(a-2) and 3(e-4), Ag atoms were observed anywhere on the surface with higher intensity on the Pd NP positions. This clearly shows that Pd NPs shelled by Ag and background Ag NPs were fabricated throughout the surface. As discussed, the Ag count may be higher at the sites of Pd NPs due to preferential diffusion to the higher chemical potential sites of the Pd NPs. EDS line-profiles of the primary NPs are shown in Figures 3(c) to 3(c-2), showing the presence of Pd and Ag on the original Pd NP sites. The hybrid NPs maintained stability without any significant sublimation of Ag, which was confirmed by the elemental ratio of Ag and Pd, as shown in Figure 12.

한편, 도 18 및 도 19에서, 20 nm Ag 코팅 세트는 원소 맵(elemental maps)의 완전히 상이한 위상을 나타냈다. 첫째, 상기 세트에는 백그라운드 NPs가 관찰되지 않았다. 또한, Pd 및 Ag맵은 SEM 몰폴로지와 정확히 일치함을 나타내었다. 이는 Pd 및 Ag 원자가 NPs 내에 잘 분포되었으며, 그 결과로 생성된 NPs는 어떠한 백그라운드도 없이 완벽하게 합금이 되었음을 보여준다. Meanwhile, in Figures 18 and 19, the 20 nm Ag coating set showed completely different phases of the elemental maps. First, no background NPs were observed in this set. Additionally, the Pd and Ag maps showed exact agreement with the SEM morphology. This shows that the Pd and Ag atoms were well distributed within the NPs, and the resulting NPs were perfectly alloyed without any background.

이에 한정되는 것은 아니나, 상기 베이스 기판은 사파이어(Al2O3)로 구성될 수 있다. 사파이어 기판은 높은 열전도성과 높은 안정성으로 인해 플라즈몬 나노입자(NP)의 성장을 위해 선택되었으며, 또한, 넓은 전자기 스펙트럼 범위에서 높은 광학 투명성과 낮은 손실로 인해 NP의 광학적 특성을 쉽게 추출할 수 있어 바람직하다.Although not limited thereto, the base substrate may be made of sapphire (Al 2 O 3 ). Sapphire substrates were chosen for the growth of plasmonic nanoparticles (NPs) due to their high thermal conductivity and high stability, and are also desirable because the optical properties of NPs can be easily extracted due to their high optical transparency and low losses in a wide electromagnetic spectral range. .

이에 한정되는 것은 아니나, 상기 쉘 층의 두께는 5nm 이상 내지 20nm 미만일 수 있으며, 조절될 수 있다. 상기 쉘 층의 두께 범위가 광전류 및 광응답성 개선면에서 적합할 수 있다. Although not limited thereto, the thickness of the shell layer may be 5 nm or more to less than 20 nm and may be adjusted. The thickness range of the shell layer may be suitable in terms of improving photocurrent and photoresponsiveness.

Ag 및 Pd 원자의 혼합은 Ag 및 Pd 계면에서, 발생할 수 있는 반면, 1차 Pd NPs는 Ag 원자의 양이 한정되어 있기 때문에, 이의 본래 형태 그대로 남는다. 백그라운드에서 Ag NPs의 빠른 성장은 Ag 흡착원자의 높은 확산성에 기인할 수 있다. Mixing of Ag and Pd atoms can occur at the Ag and Pd interface, while primary Pd NPs remain in their original form due to the limited amount of Ag atoms. The rapid growth of Ag NPs in the background can be attributed to the high diffusivity of Ag adsorption atoms.

Pd NP 템플릿상에 10nm Ag 증착 후, 상기 표면 몰폴로지는 도 2의 (c)에 나타난 바와 같이, 본래의 Pd NPs와 매우 유사하였다. 그러나, 후속 어닐링을 통해, Pd NPs로의 우선적인 Ag 확산 및 백그라운드 Ag NPs의 점진적인 발달이 도 2의 (d) 내지 (e)에서 관찰되었다. 도 2의 (d-2) 내지 (e-2)에서, PdAg 코어-쉘 NPs는 많은 변화가 나타나지 않았던 반면, 도 2의 (d-3) 내지 (e-3)의 백그라운드 Ag NPs는 극적으로 발달하였다. 상기 Ag NP의 높이는 600 ℃에서 20 nm 이하에 도달하였고, Ag NP의 높이는 400 및 600 ℃ 사이에서 거의 두 배였다. 표면적 비율(surface area ratio, SAR) 및 평균 제곱근(root mean squared, Rq)의 전체 표면 거칠기는 백그라운드의 발달에 의해, 400 ℃까지 약간 감소하는 경향을 보였다. 백그라운드가 발달하면서, 1차 PdAg NPs 의 유효 높이와 이후의 SAR 및 Rq는 약간 감소될 수 있다. 600 ℃에서, SAR는 백그라운드 NP가 더 크게 발달함에 따라, 급격한 점프를 보였다. 나아가 순수 Pd NP 템플릿상에서 형태학적 분석 및 광학적 분석은 도 9에 나타나 있다. 또한, 10 nm Ag 코팅을 한 PdAg HNPs의 추가적인 형태학적 분석 및 EDS 분석은 도 11 및 도 12에 나타나 있다. 도 13 내지 15의 5 nm Ag 코팅을 한 PdAg HNPs는 이와 유사한 생성 경향을 나타낸다.After depositing 10 nm Ag on the Pd NP template, the surface morphology was very similar to that of pristine Pd NPs, as shown in Figure 2(c). However, through subsequent annealing, preferential Ag diffusion into Pd NPs and gradual development of background Ag NPs were observed in Figure 2 (d) to (e). In (d-2) to (e-2) of Figure 2, the PdAg core-shell NPs did not show much change, while the background Ag NPs in (d-3) to (e-3) of Figure 2 changed dramatically. developed. The height of the Ag NPs reached less than 20 nm at 600 °C, and the height of the Ag NPs almost doubled between 400 and 600 °C. The overall surface roughness of surface area ratio (SAR) and root mean squared (Rq) tended to slightly decrease up to 400°C due to the development of the background. As the background develops, the effective height of primary PdAg NPs and subsequent SAR and Rq can be slightly reduced. At 600 °C, the SAR showed a sharp jump, as background NPs developed larger. Furthermore, morphological and optical analyzes on pure Pd NP templates are shown in Figure 9. Additionally, additional morphological and EDS analyzes of PdAg HNPs with 10 nm Ag coating are shown in Figures 11 and 12. PdAg HNPs coated with 5 nm Ag in Figures 13 to 15 show a similar production trend.

한편, Ag 코팅층의 더 높은 두께, 즉, 20 nm Ag가 같은 Pd NPs에 적용되면, 상기 NP 생성은 도 17 내지 19에 나타난 바와 같이, 전체적으로 상이하였다. 즉, HNP 구성 대신에, 전체적으로, 매우 큰 사이즈를 가진 합금 PdAg NPs이 제조 되었다. 도 17 내지 19에는 백그라운드 NPs 가 20 nm의 Ag 필름을 가지는 것이 관찰되지 않았다. 언급한 바와 같이, Ag 및 Pd 원자의 혼합은 PdAg NPs의 계면(interface)에서 가능하다. 따라서, 얇은 Ag 필름을 가지면, 이용 가능한 Ag 흡착 원자는 혼합하는 동안 제한되므로, 상기 본래의 Pd NPs 는 유지되었다. 그러나, Ag 흡착원자의 양이 매우 증가하면, NP 계면에서 혼합이 더 증강될 수 있다. Pd 및 Ag 원자가 완전하게 혼합하면, 완전하게 합금된 PdAg NPs 는 표면 에너지의 재분배를 통해 형성될 수 있다. On the other hand, when a higher thickness of Ag coating layer, i.e., 20 nm Ag, was applied to the same Pd NPs, the NP production was totally different, as shown in Figures 17 to 19. That is, instead of HNP composition, alloy PdAg NPs with an overall very large size were fabricated. In Figures 17 to 19, it was not observed that the background NPs had a 20 nm Ag film. As mentioned, mixing of Ag and Pd atoms is possible at the interface of PdAg NPs. Therefore, with a thin Ag film, the available Ag adsorption atoms were limited during mixing, so the pristine Pd NPs were retained. However, if the amount of Ag adsorbed atoms greatly increases, mixing at the NP interface can be further enhanced. When Pd and Ag atoms are completely mixed, fully alloyed PdAg NPs can be formed through redistribution of surface energy.

결론적으로, 코팅층의 두께 및 어닐링 온도에 따라, 바이메탈릭 HNPs의 고유한 표면 몰폴로지가 형성될 수 있다.In conclusion, depending on the thickness of the coating layer and annealing temperature, unique surface morphologies of bimetallic HNPs can be formed.

어닐링 온도와 관련하여, 도 4는 상이한 온도에서 10 nm Ag 코팅된 PdAg 코어-쉘 HNPs의 소광(extinction), 반사 및 투과 스펙트럼을 나타낸다. 일반적으로, HNPs는 UV 및 VIS 영역에서 상당히 증강된 소광 피크를 나타내고, 상기 광학적 특성은 NPs 의 몰폴로지 및 원소를 기반으로 상당히 다양하였다. PdAg HNPs의 소광 스펙트럼은 순수한 Pd NPs의 소광스펙트럼과 매우 상이 하였으며, 이는 원소 조성-의존적인 플라즈모닉 거동(behaviors)뿐 아니라, 뚜렷한 표면 몰폴로지로에 기인한 것일 수 있다. LSPR특성에서 엄청난 증강은 고유한 표면 몰폴리지, 즉, Pd 코어를 가진 Ag 쉘의 상기 코어-쉘 구성 및 고-밀도의 순수 백그라운드 Ag NPs의 시너지 효과와 관련될 수 있다. FDTD 시뮬레이션 연구는 상기 PdAg HNPs는 우수하며, 매우 높은 전자기장 강도 및 넓게 분포된 핫스팟을 가진 광검출기 어플리케이션을 위한 이점을 명백하게 보여준다.Regarding the annealing temperature, Figure 4 shows the extinction, reflection, and transmission spectra of 10 nm Ag coated PdAg core-shell HNPs at different temperatures. In general, HNPs exhibit significantly enhanced extinction peaks in the UV and visible regions, and the optical properties varied significantly based on the morphology and element of the NPs. The extinction spectrum of PdAg HNPs was very different from that of pure Pd NPs, which may be due to the distinct surface morphology as well as elemental composition-dependent plasmonic behavior. The tremendous enhancement in LSPR properties can be related to the unique surface morphology, i.e., the synergistic effect of the core-shell configuration of Ag shell with Pd core and high-density pure background Ag NPs. FDTD simulation studies clearly show that the PdAg HNPs are superior and have advantages for photodetector applications with very high electromagnetic field strengths and widely distributed hot spots.

일 실시예에 따르면, 상기 ZnO 양자점(QDs)은 전극 사이에 150 내지 300μm의 와이드 밴드갭 가지고, 평균 두께는 50nm 내지 300nm일 수 있다.According to one embodiment, the ZnO quantum dots (QDs) may have a wide band gap of 150 to 300 μm between electrodes and an average thickness of 50 nm to 300 nm.

상기 양자점(QD)은 크기에 따른 밴드 갭, 근자외선부터 원자외선 UV(near to deep UV)에서의 강한 흡수, 높은 캐리어 이동성 및 양자 구속에 의해 광전자 응용 분야에서 많은 활용이 가능하다. 이를 위해, 단일 나노 장치 아키텍처에서 다양한 UV-민감 물질의 조합은 광검출기의 향상된 광응답성, 검출감도 및 양자 효율을 달성하기 위한 유망한 루트가 될 수 있다. The quantum dots (QDs) can be widely used in optoelectronic applications due to their size-dependent band gap, strong absorption in near to deep UV, high carrier mobility, and quantum confinement. To this end, the combination of various UV-sensitive materials in a single nanodevice architecture could be a promising route to achieve improved photoresponsiveness, detection sensitivity, and quantum efficiency of photodetectors.

일 실시예에 따르면, 상기 전이 금속 디칼코게니드(dichalcogenide) 층은 MoS2 나노플레이크로 구성될 수 있다. According to one embodiment, the transition metal dichalcogenide layer may be composed of MoS 2 nanoflakes.

다른 측면에 따르면, 본원에 기재된 UV 광검출기용 기판; 및 상기 UV 검출기용 기판상에 형성된 Au 전극;을 포함하는, UV 광검출기가 제공된다.According to another aspect, a substrate for a UV photodetector described herein; and an Au electrode formed on the UV detector substrate. A UV photodetector is provided, including a.

상기 MoS2/ZnO/HNPs 장치는 광검출기 성능에서 획기적인 향상을 보여주었는데, 상술한 바와 같이, 순수 ZnO로 구성된 장치에 비해 광전류가 급격하게 향상되었다.The MoS 2 /ZnO / HNPs device showed a dramatic improvement in photodetector performance. As described above, the photocurrent was dramatically improved compared to a device made of pure ZnO.

이에 한정되는 것은 아니나, 상기 광검출기의 상기 베이스 기판은 사파이어로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.Although not limited thereto, the base substrate of the photodetector may be made of sapphire.

또 다른 측면에 따르면, 베이스 기판 상에 하이브리드 나노입자(HNPs)를 포함하는 하이브리드 나노입자층을 형성하는 하이브리드 나노입자층 형성단계; 상기 하이브리드 나노입자층 상에 ZnO 양자점층을 형성하는 양자점층 형성단계; 및 ZnO 양자점층 상에 전이 금속 디칼코게니드(dichalcogenide) 층을 형성하는 단계를 포함하는, UV 광검출기의 제조 방법이 제공된다.According to another aspect, a hybrid nanoparticle layer forming step of forming a hybrid nanoparticle layer containing hybrid nanoparticles (HNPs) on a base substrate; A quantum dot layer forming step of forming a ZnO quantum dot layer on the hybrid nanoparticle layer; and forming a transition metal dichalcogenide layer on the ZnO quantum dot layer. A method of manufacturing a UV photodetector is provided.

일 실시예에 따르면, 상기 하이브리드 나노입자층 형성 단계는 상기 베이스 기판상에 서로 분리된 복수의 제1 금속 나노입자 섬(islands)를 형성하는 단계; 및 상기 제1 금속 나노입자 섬 상에 제2 금속을 증착하고, 550 내지 650℃에서 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다. 도 1의 (c)에 나타난 바와 같이, 2-단계의 고체-상태 디웨팅 기술에 의해 제조된다. 상기 구성에 의하면, 제1 금속을 베이스 기판에 보다 균일하게 코팅할 수 있다. According to one embodiment, the hybrid nanoparticle layer forming step includes forming a plurality of first metal nanoparticle islands separated from each other on the base substrate; And it may include depositing a second metal on the first metal nanoparticle island and annealing it at 550 to 650°C. As shown in Figure 1(c), it is manufactured by a two-step solid-state dewetting technique. According to the above configuration, the first metal can be more uniformly coated on the base substrate.

상기 조건으로 하이브리드 나노입자층을 형성하는 것이 UV 광검출기의 광전류 및 광응답성 개선에 적합할 수 있다.Forming a hybrid nanoparticle layer under the above conditions may be suitable for improving the photocurrent and photoresponsiveness of a UV photodetector.

상기 제1 금속은 Pd일 수 있으며, 상기 제2 금속은 Ag일 수 있다. 또한, 상기 하이브리드 나노입자(HNPs)는 PdAg일 수 있다.The first metal may be Pd, and the second metal may be Ag. Additionally, the hybrid nanoparticles (HNPs) may be PdAg.

이에 한정되는 것은 아니나, 상기 하이브리드 나노입자는 제1 금속 상에 제2 금속이 코팅된 형태로 형성될 수 있다.Although not limited to this, the hybrid nanoparticle may be formed by coating a second metal on a first metal.

일 실시예에 따르면, 이에 한정하는 것은 아니나, 상기 증착된 제 2 금속의 두께는 1nm 이상 내지 20nm 미만일 수 있다. 상기 증착된 두께가 1nm 미만이면, Ag 쉘 층의 효과를 가질 수 없고, 20nm 이상이면, 큰 크기의 PdAg가 생성되어, 하이브리드 NPs의 효과를 가질 수 없다.According to one embodiment, but not limited thereto, the thickness of the deposited second metal may be 1 nm or more and less than 20 nm. If the deposited thickness is less than 1 nm, it cannot have the effect of the Ag shell layer, and if it is more than 20 nm, PdAg of a large size is generated, so it cannot have the effect of hybrid NPs.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not to be construed as limited by these examples.

실시예Example

MoSMoS 22 /ZnO/HNP 하이브리드 광검출기 제조/ZnO/HNP hybrid photodetector manufacturing

1-1. 바이메탈 플라즈모닉 하이브리드 나노입자((HNPs)의 제조1-1. Preparation of bimetallic plasmonic hybrid nanoparticles ((HNPs)

본 연구에서, ± 0.1° 오프-축(off-axis) (iNexus Inc., South Korea) 을 갖는 양-면 연마된 430-μm 두께의 c-평면 사파이어(0001)는 다양한 PdAg 하이브리드 나노입자(HNPs) 및 광검출기의 제조를 위한 기판으로 사용된다. 탈기(degassing) 전과 후의 순수 사파이어의 표면 몰폴로지는 도 8에 나타나 있다. 다양한 PdAg NPs 제조를 위해 플라즈마-보조 스퍼터 챔버에서 다양한 금속 필름의 두께로 기판상에 증착되었다. 기저압력, 이온화 전류 및 증착률은 각각 1 × 101 torr, 3 mA 및 0.05 nm/s 이었다. 단일 금속의 Pd 템플릿은 800 ℃ 에서 450 sec 동안 어닐링 된 30 nm 필름으로 제조되었다. 그 후, Ag 필름이 다양한 두께(5, 10 및 20 nm)로 그들의 상단에 증착되었고, 펄스레이저 증착(pulsed laser deposition, PLD) 챔버 내 1 × 104 torr 하에서 4 ℃ s1 램프률(ramp rate)을 가지고, 0 내지 600 ℃ 사이의 각 타깃 온도에서 120초 동안 재-어닐링 되었다.In this study, double-sided polished 430-μm thick c-plane sapphire (0001) with ±0.1° off-axis (iNexus Inc., South Korea) was coated with various PdAg hybrid nanoparticles (HNPs). ) and is used as a substrate for the manufacture of photodetectors. The surface morphology of pure sapphire before and after degassing is shown in Figure 8. For the fabrication of various PdAg NPs, various thicknesses of metal films were deposited on the substrate in a plasma-assisted sputter chamber. The basal pressure, ionization current, and deposition rate were 1 × 10 1 torr, 3 mA, and 0.05 nm/s, respectively. A single metal Pd template was prepared as a 30 nm film annealed at 800 °C for 450 sec. Afterwards, Ag films were deposited on top of them at various thicknesses (5, 10 and 20 nm) and ramped at 4 °C s 1 under 1 × 10 4 torr in a pulsed laser deposition (PLD) chamber. ), and were re-annealed for 120 seconds at each target temperature between 0 and 600 °C.

본 연구에서, ± 0.1° 오프-축(off-axis) (iNexus Inc., South Korea) 을 갖는 양-면 연마된 430-μm 두께의 c-평면 사파이어(0001)는 다양한 PdAg 하이브리드 나노입자(HNPs) 및 광검출기의 제조를 위한 기판으로 사용된다. 탈기(degassing) 전과 후의 순수 사파이어의 표면 몰폴로지는 도 8에 나타나 있다. 다양한 PdAg NPs 제조를 위해 플라즈마-보조 스퍼터 챔버에서 다양한 금속 필름의 두께로 기판상에 증착되었다. 기저압력, 이온화 전류 및 증착률은 각각 1 × 101 torr, 3 mA 및 0.05 nm/s 이었다. 단일 금속의 Pd 템플릿은 800 ℃ 에서 450 sec 동안 어닐링 된 30 nm 필름으로 제조되었다. 그 후, Ag 필름이 다양한 두께(5, 10 및 20 nm)로 그들의 상단에 증착되었고, 펄스레이저 증착(pulsed laser deposition, PLD) 챔버 내 1 × 104 torr 하에서 4 ℃ s1 램프률(ramp rate)을 가지고, 0 내지 600 ℃ 사이의 각 타깃 온도에서 120초 동안 재-어닐링 되었다.In this study, double-sided polished 430-μm thick c-plane sapphire (0001) with ±0.1° off-axis (iNexus Inc., South Korea) was coated with various PdAg hybrid nanoparticles (HNPs). ) and is used as a substrate for the manufacture of photodetectors. The surface morphology of pure sapphire before and after degassing is shown in Figure 8. For the fabrication of various PdAg NPs, various thicknesses of metal films were deposited on the substrate in a plasma-assisted sputter chamber. The basal pressure, ionization current, and deposition rate were 1 × 10 1 torr, 3 mA, and 0.05 nm/s, respectively. A single metal Pd template was prepared as a 30 nm film annealed at 800 °C for 450 sec. Afterwards, Ag films were deposited on top of them at various thicknesses (5, 10 and 20 nm) and ramped at 4 °C s 1 under 1 × 10 4 torr in a pulsed laser deposition (PLD) chamber. ), and were re-annealed for 120 seconds at each target temperature between 0 and 600 °C.

1-2. ZnO 양자점(QD) 및 MoS1-2. ZnO quantum dots (QDs) and MoS 22 나노플레이크(NF) 솔루션 제조 Nanoflake (NF) solution manufacturing

본 발명의 ZnO QD 솔루션 합성을 위해, 0.97 g의 징크 아세테이트 디하이드레이트(zinc acetate dehydrate, Zn (CH3COO)2 2H2O, 99.99%) 0.97 g을 메탄올 42 mL에 용해시키고, 마그네틱 교반(magnetic stirring)을 하면서, 60 ℃로 가열하였다. 23 mL 메탄올에 0.426 g 의 포타슘 히드록사이드(KOH) 솔루션을 징크 아세테이트 디하이드레이트 메탄올 솔루션에 5분 이하 동안 서서히 추가하였다. 상기 혼합된 용액은 60 ℃에서 2.5 h 동안 교반 상태로 유지되었다. 상기 수득된 용액을 4시간 동안 침전시켰고, 용액의 상층액을 제거하였다. 이후, 상기 생성물(product)을 반복적으로 침전시키면서, 50 ml 메탄올 추가하여 2번 세척하였다. 마지막으로, 상기 남은 생성물은 4 ml 클로로포름 및 2 ml 메탄올의 혼합 용액에서, 5분간 초음파를 처리 하여 분산시켰다. 몰리브덴 디설파이드(molybdenum disulfide, MoS2) 나노플레이크(NF) 솔루션을 제조하기 위하여, MoS2 NFs의 2 mg을 1 ml의 에탄올에 용해시켰다. 수득된 그대로(as-received)의 MoS2 NFs 는 분말형태로 1000 nm 이하의 지름을 가진 3 층 미만이었다. 일반적으로, 시간이 지남에 따라, MoS2 NFs는 바이알 바닥의 침전되므로, 상기 용액은 투여의 분산을 개선하기 위해 적용하기 전 10 min 동안 초음파를 처리하였다. 모든 시약(chemicals)은 미국 시그마 알드리치에서 구입하였다. To synthesize the ZnO QD solution of the present invention, 0.97 g of zinc acetate dehydrate (Zn (CH 3 COO) 2 2H 2 O, 99.99%) was dissolved in 42 mL of methanol and stirred with magnetic stirring. It was heated to 60°C while stirring. A solution of 0.426 g potassium hydroxide (KOH) in 23 mL methanol was slowly added to the zinc acetate dihydrate methanol solution over 5 minutes. The mixed solution was kept stirred at 60°C for 2.5 h. The obtained solution was allowed to precipitate for 4 hours, and the supernatant of the solution was removed. Afterwards, the product was repeatedly precipitated and washed twice by adding 50 ml methanol. Finally, the remaining product was dispersed in a mixed solution of 4 ml chloroform and 2 ml methanol by ultrasonication for 5 minutes. To prepare molybdenum disulfide (MoS 2 ) nanoflake (NF) solution, 2 mg of MoS 2 NFs was dissolved in 1 ml of ethanol. The as-received MoS 2 NFs in powder form had less than three layers with a diameter of less than 1000 nm. Typically, over time, the MoS 2 NFs settle to the bottom of the vial, so the solution was sonicated for 10 min before application to improve dispersion of the dose. All reagents (chemicals) were purchased from Sigma Aldrich, USA.

1-3. MoS1-3. MoS 22 /ZnO/HNP 하이브리드 광검출기 제조/ZnO/HNP hybrid photodetector manufacturing

광검출기는 600 ℃에서 제조된 PdAg 하이브리드 나노입자(HNP) 샘플상에 ZnO QD 층 및 MoS2 NFs을 증착하여 제조하였다. 특히, 상기 준완성된(as-prepared) ZnO QDs 솔루션 10 μL를 HNPs상에 드롭-캐스트(drop-casted) 시킨 후 2000 rpm에서 30 s 동안 스핀-코팅 되었다. ZnO 스핀 코팅은 PdAg HNPs 상에 얇은 ZnO QDs 균일층(uniform layer)을 형성하기 위해 5회 반복되었다. 이후, 상기 ZnO 증착된 샘플은 진공상태에서 10min 동안 100 ℃로, 10 cc O2 플로우 하에서 10min 동안 200 ℃로, 마지막으로 PLD챔버 내 20 cc O2 플로우 하에서 1 hour 동안 550 ℃와 같이, 세가지의 다른 단계에서 어닐링 되었다. 한 쌍의 Au 전극(100 nm 이하 두께)은 쉐도우 마스크를 사용하여, Au 전극 사이에 200 μm의 와이드 갭을 가진 ZnO 층의 상단에 증착되었다. 마지막으로, 상기 MoS2 NF 솔루션은 드롭-캐스팅에 의해 장치의 활성화 영역에 증착되었다. 상기 단계별 제조공정은 도 9에 나타나있다. The photodetector was fabricated by depositing a ZnO QD layer and MoS 2 NFs on a PdAg hybrid nanoparticle (HNP) sample prepared at 600 °C. In particular, 10 μL of the as-prepared ZnO QDs solution was drop-cast on HNPs and then spin-coated at 2000 rpm for 30 s. ZnO spin coating was repeated five times to form a thin uniform layer of ZnO QDs on PdAg HNPs. Thereafter, the ZnO deposited sample was subjected to three conditions: 100°C for 10 min in vacuum, 200°C for 10 min under 10 cc O 2 flow, and finally 550°C for 1 hour under 20 cc O 2 flow in a PLD chamber. Annealed in different stages. A pair of Au electrodes (less than 100 nm thick) were deposited on top of the ZnO layer with a wide gap of 200 μm between the Au electrodes, using a shadow mask. Finally, the MoS 2 NF solution was deposited on the active area of the device by drop-casting. The step-by-step manufacturing process is shown in Figure 9.

2. 실험예2. Experimental example

2-1. 특징 분석2-1. Feature analysis

비-접촉 원자력 현미경(non-contact atomic force microscope, AFM) (XE-70, Park Systems Corp., South Korea) 및 주사전자현미경(scanning electron microscopes, SEM) (Regulus 8230, HITACHI, Japan and COXEM Corp., South Korea)은 몰폴로지 분석을 위해 채택되었다. 에너지 분산 x-선 분광기(Energy-dispersive x-ray spectroscopes, EDS) (Noran System 7, Thermo Fisher, United States and Ultimax, Oxford Instruments, United Kingdom)은 원소분석(elemental analysis)을 위해 사용되었다. ANDOR sr-500i 분광기, CCD 검출기 및 결합된 할로겐-중수소 광원이 장착된 광학시스템(NOST I, Nostoptiks, South Korea)은 소광(extinction), 반사 및 투과 특성분석을 위해 사용되었다. 다양한 장치의 IV 반응은 B2902A 정밀 소스/측정 유닛(Keysight Technologies, United States)를 사용하여, 주변이 어두운 상태(condition)에서 측정되었다. 텅스텐 카바이드 팁은 장치의 Au 전극과 접촉하기 위해 사용되었다. 유한-차분 시간-영역(finite-difference time-domain, FDTD) (Lumerical Solutions, Canada)은 다양한 PdAg NPs 전자기장의 분포를 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 이에 따라, Pd, Ag 및 사파이어의 굴절률(refractive index)을 참조하였다.Non-contact atomic force microscope (AFM) (XE-70, Park Systems Corp., South Korea) and scanning electron microscopes (SEM) (Regulus 8230, HITACHI, Japan and COXEM Corp. , South Korea) was adopted for morphology analysis. Energy-dispersive x-ray spectroscopes (EDS) (Noran System 7, Thermo Fisher, United States and Ultimax, Oxford Instruments, United Kingdom) were used for elemental analysis. An optical system (NOST I, Nostoptiks, South Korea) equipped with an ANDOR sr-500i spectrometer, CCD detector and coupled halogen-deuterium light source was used for extinction, reflection and transmission characterization. The IV responses of the various devices were measured in dark conditions using a B2902A precision source/measurement unit (Keysight Technologies, United States). A tungsten carbide tip was used to contact the Au electrode of the device. Finite-difference time-domain (FDTD) (Lumerical Solutions, Canada) was used to simulate the distribution of electromagnetic fields of various PdAg NPs. Accordingly, the refractive indices of Pd, Ag, and sapphire were referred to.

2-2. 실험 결과2-2. Experiment result

Pd NP 템플릿 상에 10nm Ag 증착 후, 상기 표면 몰폴로지는 도 2의 (c)에 나타난 바와 같이, 본래의 Pd NPs와 매우 유사하였다. 후속 어닐링을 통해, Pd NPs로의 우선적인 Ag 확산 및 백그라운드 Ag NPs의 점진적인 발달이 도 2의 (d) 내지 도 2의 (e)에서 관찰되었다. 도 2의 (d-2) 내지 2의 (e-2)에서, PdAg 코어-쉘 NPs는 많은 변화가 나타나지 않았던 반면, 도 2의 (d-3) 내지 2의 (e-3)에는 백그라운드 Ag NPs는 극적으로 발달되었다. 상기 Ag NP의 높이는 600 ℃에서 ~ 20 nm 이하에 도달했고, Ag NP의 높이는 400 및 600 ℃에서 거의 두 배였다. 표면적 비율(surface area ratio, SAR) 및 평균 제곱근(root mean squared, Rq)의 전체 표면 거칠기는 백그라운드의 발달에 의해, 거의 400 ℃까지 약간 감소하는 경향을 보였다. 백그라운드가 발달하면서, 1차 PdAg NPs 의 유효 높이와 이후의 SAR 및 Rq는 약간 감소될 수 있다. 600 ℃에서, SAR는 백그라운드 NP가 더 크게 발달함에 따라, 급격한 점프를 보였다. 나아가 순수 Pd NP 템플릿상에서 형태학적 분석 및 광학적 분석은 도 9에서 찾을 수 있다. 또한, 10 nm Ag 코팅을 한 PdAg HNPs의 추가적인 형태학적 분석 및 EDS 분석은 도 11 내지 도 12에서 찾을 수 있다. 도 13 내지 도 15에 5 nm Ag 코팅을 한 PdAg HNPs는 이와 유사한 진화 경향을 나타낸다.After depositing 10 nm Ag on the Pd NP template, the surface morphology was very similar to that of pristine Pd NPs, as shown in Figure 2(c). Through subsequent annealing, preferential Ag diffusion into Pd NPs and gradual development of background Ag NPs were observed in Figure 2(d) to Figure 2(e). In Figures 2(d-2) to 2(e-2), the PdAg core-shell NPs did not show much change, whereas in Figures 2(d-3) to 2(e-3), the background Ag NPs have developed dramatically. The height of the Ag NPs reached ~20 nm or less at 600 °C, and the height of the Ag NPs almost doubled at 400 and 600 °C. The overall surface roughness of surface area ratio (SAR) and root mean squared (Rq) tended to slightly decrease up to almost 400 °C due to the development of the background. As the background develops, the effective height of primary PdAg NPs and subsequent SAR and Rq can be slightly reduced. At 600 °C, the SAR showed a sharp jump, as background NPs developed larger. Furthermore, morphological and optical analyzes on pure Pd NP templates can be found in Figure 9. Additionally, additional morphological and EDS analyzes of PdAg HNPs with 10 nm Ag coating can be found in Figures 11 and 12. 13 to 15, PdAg HNPs coated with 5 nm Ag show a similar evolution trend.

한편, Ag 코팅층의 더 높은 두께, 즉, 20 nm Ag가 같은 Pd NPs에 적용되면, 상기 NP진화는 도 17 내지 도 19에 나타난 바와 같이 전체적으로 상이하였다. HNP 구성 대신에, 전체적으로, 매우 큰 사이즈를 가진 합금 PdAg NPs 이 제조되었다. 도 17 내지 도 19에는 백그라운드 NPs 가 20 nm의 Ag 필름을 가지는 것이 관찰되지 않았다. 언급한 바와 같이, Ag 및 Pd 원자의 혼합은 PdAg NPs의 계면(interface)에서 가능하다. 얇은 Ag 필름을 가지면, 이용 가능한 Ag 흡착원자는 혼합하는 동안 제한되므로, 상기 본래의 Pd NPs 는 유지되었다. 그러나, Ag 흡착원자의 양이 매우 증가하면, NP 계면에서 혼합이 더 증강(enhanced)될 수 있다. Pd 및 Ag원자가 완전하게 혼합하면, 완전하게 합금된 PdAg NPs 는 표면 에너지의 재분배를 통해 형성될 수 있다. 코팅층의 두께 및 어닐링 온도에 따라, 바이메탈릭 HNPs의 고유한 표면 몰폴로지가 형성될 수 있다. On the other hand, when a higher thickness of the Ag coating layer, i.e., 20 nm Ag, was applied to the same Pd NPs, the NP evolution was entirely different, as shown in Figures 17 to 19. Instead of HNP composition, alloyed PdAg NPs with overall, very large size were fabricated. In Figures 17 to 19, it was not observed that the background NPs had a 20 nm Ag film. As mentioned, mixing of Ag and Pd atoms is possible at the interface of PdAg NPs. With a thin Ag film, the available Ag adsorption atoms were limited during mixing, so the pristine Pd NPs were retained. However, if the amount of Ag adsorbed atoms greatly increases, mixing at the NP interface can be further enhanced. When Pd and Ag atoms are completely mixed, fully alloyed PdAg NPs can be formed through redistribution of surface energy. Depending on the thickness of the coating layer and annealing temperature, unique surface morphologies of bimetallic HNPs can be formed.

도 3은 400 및 600 ℃에서 하이브리드 PdAg NPs의 SEM 및 EDS 분석을 보여준다. 해당 원소 피크를 가진 해당 EDS 스펙트럼이 도 12에 나타나 있다. 첫째, 도 3의 (a-1) 및 3의 (e-1)에서, 위상맵(phase maps)은 1차 NP 위치에서만, Pd 원자의 존재를 명확하게 나타낸다. 도 3의 (a-2) 및 3의 (e-4)에서, Ag 원자는 Pd NP 위치 상에 더 높은 강도를 가진 표면 어디서든 관찰이 되었다. 이는 Ag 및 백그라운드 Ag NP로 둘러싸인 Pd NPs는 표면 전반에 걸쳐 제조되었다는 을 명확하게 보여준다. 논의된 바와 같이, 상기 Ag 함량은 Pd NPs의 더 높은 화학포텐셜 위치로 우선적으로 확산하기 때문에, Pd NPs 위치에서 더 높을 수 있다. 1차 NP의 EDS 라인 프로파일(line-profiles)은 도 3의 (c) 내지 3의 (c-2)에 나타나 있으며, 이는 본래 Pd NP 위치 상에 Pd 및 Ag의 존재를 보여준다. 상기 하이브리드 NPs는 Ag 의 어떤 현저한 승화(sublimation)도 없이, 안정성을 유지하고, 이는 도 12에 나타난 바와 같이, Ag 및 Pd의 원소 비율(elemental ratio)에 의해 확인되었다. Figure 3 shows SEM and EDS analysis of hybrid PdAg NPs at 400 and 600 °C. The corresponding EDS spectrum with the corresponding elemental peaks is shown in Figure 12. First, in Figures 3(a-1) and 3(e-1), the phase maps clearly indicate the presence of Pd atoms only at the primary NP position. In Figures 3(a-2) and 3(e-4), Ag atoms were observed anywhere on the surface with higher intensity on the Pd NP site. This clearly shows that Pd NPs surrounded by Ag and background Ag NPs were fabricated throughout the surface. As discussed, the Ag content may be higher at the Pd NPs sites due to preferential diffusion to the higher chemical potential sites of the Pd NPs. EDS line-profiles of the primary NPs are shown in Figures 3(c) to 3(c-2), showing the presence of Pd and Ag on the original Pd NP sites. The hybrid NPs maintained stability without any significant sublimation of Ag, which was confirmed by the elemental ratio of Ag and Pd, as shown in Figure 12.

한편, 도 18 및 도 19에서, 20 nm Ag 코팅 세트는 원소 맵(elemental maps)의 완전히 상이한 위상을 나타냈다. 첫째, 상기 세트에는 백그라운드 NPs가 관찰되지 않았다. 또한, Pd 및 Ag맵은 SEM 몰폴로지와 정확히 일치함을 나타내었다. 이는 Pd 및 Ag 원자가 NPs내에 잘 분포되었으며, 그 결과로 생성된 NPs는 어떠한 백그라운드도 없이 완벽하게 합금이 되었음을 보여준다. Meanwhile, in Figures 18 and 19, the 20 nm Ag coating set showed completely different phases of the elemental maps. First, no background NPs were observed in this set. Additionally, the Pd and Ag maps showed exact agreement with the SEM morphology. This shows that the Pd and Ag atoms were well distributed within the NPs, and the resulting NPs were perfectly alloyed without any background.

도 4는 상이한 온도에서 10 nm Ag 코팅된 PdAg 코어-쉘 HNPs의 소광(extinction), 반사 및 투과 스펙트럼을 나타낸다.Figure 4 shows the extinction, reflection, and transmission spectra of 10 nm Ag coated PdAg core-shell HNPs at different temperatures.

상기 소광(extinction)은 E% = 100% (R% + T%) 관계에 의해 결정되었다. 일반적으로, HNPs는 UV 및 VIS 영역에서 상당히 증강된 소광 피크를 나타내고, 상기 광학적 특성은 NPs 의 몰폴로지 및 원소(element)를 기반으로 상당히 다양하였다. 도 3에서 PdAg HNPs의 소광 스펙트럼은 순수한 Pd NPs의 소광스펙트럼과 매우상이하였으며, 이는 원소 조성-의존적인 플라즈모닉 거동(behaviors)뿐 아니라, 뚜렷한 표면 몰폴로지로에 의한 것일 수 있다. Ag 박막에 의해 VIS 영역에서의 쌍극자 소광 피크는 가시광선 영역 및 적외선 영역 전반에 걸쳐 확장된 반면, Pd 템플릿은 465 nm에서 피크가 나타났다. PdAg HNPs의 상기 소광 스펙트럼은 두 개의 피크를 나타냈다. UV 영역에서 하나의 더 작은 피크와 VIS 영역에서 더 브로드한 피크이고, 이는 NPs의 사중극자 공명(quadrupolar resonance, QR) 및 쌍극자 공명(dipolar resonance, DR)모드에서 기인한 것일 수 있다. 상기 더 강한 VIS 피크는 확연한 DR 모드 에 의한 것일 수 있다. LSPR 특성에서 엄청난 증강은 고유한 표면 몰폴리지, 즉, Pd 코어를 가진 Ag 쉘의 상기 코어-쉘 구성 및 고-밀도의 순수 백그라운드 Ag NPs의 시너지 효과와 관련될 수 있다. 도 4의 (a-1)에서 확대되고 정규화된 소광 스펙트럼은 VIS영역에서 LSPR 피크 위치를 나타낸다. 일반적으로, 백그라운드 Ag NPs의 발달 및 더 높은 온도에서 열처리된(annealed) 샘플에 대한 실효높이(effective height)의 감소는 LSPR 피크 위치의 청색편이(blue shift)을 초래하였다. 상기 HNPs는 피크 위치(peak position)에서 청색편이(blue shift) 및 도 4의 (a-2)의 등고선 플롯(contour plot)에 명백하게 보이는 바와 같은 더 좁은 LSPR 대역폭(bandwidth)을 나타내었다. 특히, 피크 위치는 0 °C에서 520 nm 이하에서 관찰되었고, 이는 PdAg HNPs에 대해 주로 485 및 465 nm에서 청색 변이가 일어났다. 추가로, 반사(reflectance) 및 투과(transmittance) 스펙트럼이 도 4의 (b) 및 도 4의 (c)에 제공되었다. QR 및 DR 공명 모드로 인해 HNPs에 대한 UV 및 VIS 영역에서 관찰된 강한 피크는 반사 및 투과 스펙트럼에서 딥(dips)으로 관찰되었다. 5 및 20 nm 코팅 세트에 대한 추가적인 반사 및 투과 스펙트럼은 도 16 및 도 21에서 찾을 수 있다. 도 4의 (d) 내지 도 4의 (h)는 순수(bare) Pd, Ag, 코어-쉘 AgPd 및 하이브리드 AgPd NPs의 유한차분 시간 영역(the finite-difference time-domain, FDTD) 시뮬레이션을 나타낸다. 상기 시뮬레이션을 위한 설계도는 도 4의 (d)에 나타나 있다. 체계적인 비교를 위해, Pd, Ag, 코어-쉘 AgPd NPs의 사이즈를 동일하게 유지하였다. 도 4의 (e) 내지 4의 (g)에는, Pd, Ag, 코어-쉘 AgPd의 모든 3 NP 구성이 경계에서 전자기(electromagnetic, EM) 핫스팟을 나타내었다. 도 4의 (e-1) 내지 도 4의 (g-1)의 측면도에 보이는 바와 같이, 표면 플라즈몬의 여기(excitation)와 함께 EM 핫스팟은 일반적으로 NPs의 가장자리에 나타났다. 한편, 최대 로컬 e-필드 강도(maximum local e-field intensity, MLEI, Emax)는 Pd NPs 의 Emax = 4에서 Ag NPs에 대해 6.2까지, 그리고, 상기 코어-쉘 NPs에 대해 9.8까지 점진적으로 증가하였다. 이는 코어-쉘 NP가 더 높은 전자기장 강도를 제공할 수 있으므로, 광 검출 어플리케이션에 대해 이점이 있다는 것을 나타낸다. 마지막으로, 도 4의 (h)는 HNP 구성이 25.1의 상당히 증가된 MLEI와 매우 증가된 핫스팟 분포를 나타내었다. 핫스팟의 상기 증가 분포는 작은 고밀도 Ag 백그라운드 NPs에 의한 것일 수 있다. 언급한 바와 같이, 상기 EM핫 스판은 일반적으로 날카로운 모서리 및 NPs의 경계에서 형성된다. HNPs의 고유한 구성은 코어-쉘 PdAg NPs와 함께 매우 고밀도의 백그라운드 Ag NPs를 제공하였다. 일반적인 SSD 접근법을 기반으로 한 Ag NPs는 일반적으로, 매우 큰 사이즈 및 낮은 밀도를 나타낸다. FDTD 시뮬레이션 연구는 상기 PdAg HNPs는 우수하며, 매우 높은 전자기장 강도 및 넓게 분포된 핫스팟을 가진 광검출기 어플리케이션을 위한 이점을 명백하게 보여준다. The extinction was determined by the relationship E% = 100% (R% + T%). In general, HNPs exhibit significantly enhanced extinction peaks in the UV and visible regions, and the optical properties vary considerably based on the morphology and element of the NPs. In Figure 3, the extinction spectrum of PdAg HNPs was very different from that of pure Pd NPs, which may be due to the distinct surface morphology as well as elemental composition-dependent plasmonic behavior. The dipole extinction peak in the VIS region by the Ag thin film was extended throughout the visible and infrared regions, whereas the Pd template peaked at 465 nm. The extinction spectrum of PdAg HNPs showed two peaks. There is one smaller peak in the UV region and a broader peak in the visible region, which may be attributed to the quadrupolar resonance (QR) and dipole resonance (DR) modes of the NPs. The stronger VIS peak may be due to a pronounced DR mode. The tremendous enhancement in LSPR properties can be related to the unique surface morphology, i.e., the synergistic effect of the core-shell configuration of Ag shell with Pd core and high-density pure background Ag NPs. The enlarged and normalized extinction spectrum in (a-1) of Figure 4 shows the LSPR peak position in the VIS region. In general, the development of background Ag NPs and the reduction of effective height for samples annealed at higher temperatures resulted in a blue shift of the LSPR peak position. The HNPs exhibited a blue shift in the peak position and a narrower LSPR bandwidth as clearly visible in the contour plot in (a-2) of FIG. 4. In particular, the peak position was observed below 520 nm at 0 °C, which resulted in a blue shift mainly at 485 and 465 nm for PdAg HNPs. Additionally, reflection and transmission spectra were provided in Figures 4(b) and 4(c). The strong peaks observed in the UV and VIS regions for HNPs due to the QR and DR resonance modes were observed as dips in the reflection and transmission spectra. Additional reflection and transmission spectra for the 5 and 20 nm coating sets can be found in Figures 16 and 21. Figures 4(d) to 4(h) show finite-difference time-domain (FDTD) simulations of bare Pd, Ag, core-shell AgPd, and hybrid AgPd NPs. The design diagram for the simulation is shown in Figure 4(d). For systematic comparison, the sizes of Pd, Ag, and core-shell AgPd NPs were kept the same. In Figures 4(e) to 4(g), all three NP configurations of Pd, Ag, and core-shell AgPd exhibited electromagnetic (EM) hotspots at the boundaries. As shown in the side views of Figures 4(e-1) to 4(g-1), EM hotspots generally appeared at the edges of NPs with excitation of surface plasmons. Meanwhile, the maximum local e-field intensity (MLEI, E max ) gradually increases from E max = 4 for Pd NPs to 6.2 for Ag NPs and up to 9.8 for the core-shell NPs. increased. This indicates that core-shell NPs can provide higher electromagnetic field strengths and are therefore advantageous for photodetection applications. Finally, Figure 4(h) shows that the HNP composition showed a significantly increased MLEI of 25.1 and greatly increased hotspot distribution. This increased distribution of hot spots may be due to the small high-density Ag background NPs. As mentioned, the EM hot spans typically form at sharp edges and boundaries of NPs. The unique composition of HNPs provided a very high density of background Ag NPs along with core-shell PdAg NPs. Ag NPs based on the general SSD approach generally exhibit very large sizes and low densities. FDTD simulation studies clearly show that the PdAg HNPs are superior and have advantages for photodetector applications with very high electromagnetic field strengths and widely distributed hot spots.

도 5는 MoS2/ZnO/HNP 광검출기 구성의 특성 분석을 나타낸다. MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 구성에서, 먼저 상기 ZnO QD층이 PdAg HNPs 상에 제조된 후 ZnO QD 층의 활성 영역 위에 MoS2 나노플레이크가 증착되었다. 상기 ZnO QD 층은 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP) 생성이 매우 효율적인 광-전류 통로를 제공할 수 있다. 상기 MoS2 나노플레이크는 2차원 전이 금속 디칼코게니드 (two-dimensional layered transition metal dichalcogenide, TMD) 반도체로, 이는 여분의 광자 흡수를 통해 추가적인 광-전류를 제공할 수 있다. 상기 MoS2 나노플레이크는 3층 이하를 두께를 가진 수백 나노미터의 평균 폭을 가졌으므로, 광투과를 허용하면서, 상기 흡수를 증가시킬 것으로 예상된다. 여기서, 분산 용액이 사용되었으므로, MoS2 나노플레이크 층의 실제 두께는 사실상 더 높아질 수 있다. MoS2 나노플레이크 증착 후 상기 표면 몰폴로지는 도 5의 (a) 내지 도 5의 (a-1)에 나타나있고, 일부 분할로 더 많이 거칠게 되었다. 대안적으로, 분할을 향상시키기 위해 전기영동법을 채택할 수 있고, 이는 MoS2 나노플레이크의 위치-선택적 인테그레이션을 제공할 수 있다. 단면 후방 산란 전자 검출기(The cross-sectional backscattering electron detector, BSE) 이미지는 전극 영역에서 나타나는데, 이는 Au 전극, ZnO QDs 및 PdAg HNPs 를 나타낸다. MoS2가 증착된 활성영역에 대한 단면은 가 이온 밀링동안 쉽게 파괴되었다. 상기 ZnO QDs는 응집되며, 총 두께가 300 nm 이하이고, Au 전극이 100 nm이하로 만들어졌다. FE-SEM 현미경 사진은 ZnO QD 층에 나노 기공을 가진 ZnO QD의 입상 구조를 명확하게 드러낸다. 도 5의 (c) 내지 도 5의 (c-5)의 단면 원소 맵은 하이브리드 구성에서 ZnO QD 및 PdAg HNP의 존재를 명확하게 드러내었다. 유사하게, EDS 라인프로파일(EDS line profiles)은 도 5의 (d) 내지 도 5의 (d-5)에서, ZnO QDs 및 PdAg HNPs 를 명확하게 나타낸다. 예를 들어, Zn 함유량은 ZnO위치에서 더 높고, Pd 및 Ag 함유량은 NPs 위치에서 더 높았다. ZnO, ZnO/HNP, MoS2/ZnO/HNP의 추가적인 특성은 도 23 및 도 24에 나타나 있으며, 상기 평면도 원소 맵은 도 24의 활성영역에서 MoS2 및 ZnO의 균일한 분포를 명확하게 나타내었다. 상기 MoS2/ZnO/HNP의 EDS스펙트럼은 도 27의 (c) 에 보이는 바와 같이, Ag, Pd, Mo, S, Zn 및 O 의 존재를 나타내며, 상기 2.29 KeV 이하에서 Mo L 시리즈 피크는 MoS2 에 대한 S K 시리즈 피크 (2.31 KeV이하)와 중첩되었다. 상기 ZnO/HNP 및 MoS2의 라만 스펙트럼은 도 5의 (e) 및 도 5의 (f)에 나타나 있다. 440 cm-1 에서의 고강도 피크는 우르짜이트(wurtzite) 결정질(crystalline) ZnO 높은 E2 포논(phonon) 모드에 기인할 수 있다. 또한, 381 cm-1 에서의 피크는 A1 모드에 것일 수 있고, ZnO 샘플의 331 cm-1 에서의 피크는 다중 포논 산란(multiple phonon scattering)에 의한 것일 수 있다.Figure 5 shows characterization of the MoS 2 /ZnO/HNP photodetector configuration. In the MoS 2 /ZnO/HNP hybrid configuration, the ZnO QD layer was first prepared on PdAg HNPs and then MoS 2 nanoflakes were deposited on the active region of the ZnO QD layer. The ZnO QD layer can provide a light-current path with very efficient electron-hole pair (EHP) generation. The MoS 2 nanoflake is a two-dimensional layered transition metal dichalcogenide (TMD) semiconductor, which can provide additional photo-current through absorption of extra photons. Since the MoS 2 nanoflakes have an average width of hundreds of nanometers with a thickness of less than three layers, they are expected to increase the absorption while allowing light transmission. Here, since a dispersion solution was used, the actual thickness of the MoS 2 nanoflake layer can actually be higher. The surface morphology after MoS 2 nanoflake deposition is shown in Figure 5 (a) to Figure 5 (a-1), and became more rough with some splitting. Alternatively, electrophoresis can be employed to enhance partitioning, which can provide site-selective integration of MoS 2 nanoflakes. The cross-sectional backscattering electron detector (BSE) image is shown in the electrode region, showing the Au electrode, ZnO QDs and PdAg HNPs. The cross section of the active area where MoS 2 was deposited was easily destroyed during ion milling. The ZnO QDs were aggregated, the total thickness was less than 300 nm, and the Au electrode was made less than 100 nm. FE-SEM micrograph clearly reveals the granular structure of ZnO QDs with nanopores in the ZnO QD layer. The cross-sectional elemental maps of Figures 5(c) to 5(c-5) clearly revealed the presence of ZnO QDs and PdAg HNPs in the hybrid configuration. Similarly, EDS line profiles clearly show ZnO QDs and PdAg HNPs in Figures 5(d) to 5(d-5). For example, the Zn content was higher at the ZnO site, and the Pd and Ag contents were higher at the NPs site. Additional properties of ZnO, ZnO/HNP, and MoS 2 /ZnO/HNP are shown in Figures 23 and 24, and the plan view elemental map clearly shows the uniform distribution of MoS 2 and ZnO in the active region of Figure 24. As shown in (c) of Figure 27, the EDS spectrum of the MoS 2 /ZnO/HNP indicates the presence of Ag, Pd, Mo, S, Zn, and O, and the Mo L series peak below 2.29 KeV is MoS 2 It overlapped with the SK series peak (below 2.31 KeV). Raman spectra of the ZnO/HNP and MoS 2 are shown in Figure 5 (e) and Figure 5 (f). The high intensity peak at 440 cm -1 can be attributed to the high E 2 phonon mode of wurtzite crystalline ZnO. Additionally, the peak at 381 cm -1 may be in the A1 mode, and the peak at 331 cm -1 of the ZnO sample may be due to multiple phonon scattering.

ZnO 층의 구조적 결함은 580 cm-1에서의 스몰 피크와 연관되었을 수 있다. ZnO QD의 라만은 상기 QD층의 품질이 충분히 사용 가능함을 확인하였다. 도 5의 (f-1)에는 상기 MoS2 층이 380 및 411 cm-1 에서 특징적인 피크가 나타남을 보여주었으며, 이는 주로 MoS2 나노플레이크의 E1 2g 및 A1g 모드에 할당된다. 상기 E1 2g 모드는 Mo 및 S 원자의 평면내 운동(in-plane motion)에 의한 것이고, 상기 A1g 모드 진동은 평면외 진동(out-of-plane vibration)에 의한 것이다. 상기 층은 얇기 때문에, 라만 강도는 더 약했다. 도 6은 10 V에서 54.9 mW/cm-2를 가진 385 nm 조명하에서 순수 ZnO 및 ZnO/HNP 장치와 MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 아키텍처의 광응답 특성을 보여준다. 광학 및 시뮬레이션 분석을 기반으로, 600 ℃에서 PdAg HNPs는 광검출기 어플리케이션을 위해 선택되었다. 상기 샘플은 코어쉘 구성을 가진 매우-증강된 LSPR 및 잘 디웨트된 고-밀도 작은 백그라운드 Ag NPs를 가진 핫스팟을 제공할 수 있고, 이는 광검출기 어플리케이션을 위해 적합하다. 상기 하이브리드 장치 아키텍처는 도 6의 (a)에서 보이는 바와 같이, MoS2 나노플레이크 및 PdAg HNPs 층 상의 ZnO QD층의 조합으로 구성되었다. 도 6의 (b)의 10 V에서 UV LED (385 nm, 54.9 mW/cm-2)의 조명 하에서 측정된 전류 대 전압(I-V) 특성은 순수 ZnO에서 MoS2/ZnO/HNP 장치까지 광전류의 성공적인 향상을 명확하게 나타내었다. 상기 순수 ZnO는 10 V에서 54.9 mW/cm-2를 가진 385 nm 의 조명 하에서 6 × 10-5 A를 나타냈다. 그런 다음, ZnO/NPs 구성은 대략 5 × 10-4 A 이하의 한 배 높은 I ph 를 나타내었다. 마지막으로, 상기 MoS2/ZnO/HNP 장치의 하이브리드 구성은 동일한 여기(excitation)에 대해 5 × 10-3 A 이하의 매우 높은 광-전류 나타냈다. 상기 광전류(I ph ) 증강은 하이브리드 층이 각각 추가될 때마다 대략 한배 크기였다. 즉, MoS2/ZnO/HNP 구성의 I ph 는 같은 UV 여기(excitation)에서 순수 ZnO와 비교할 때, 2배 이하로 급격하게 증가하였다. 상기 증강은 ZnO으로부터 본래의 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP) 생성과 플라즈모닉 하이브리드 NPs 및 MoS2 나노플레이크로부터 생성된 추가적인 캐리어(carrier)에 의한 것일 수 있다. 삽입된 도 6의 (b)는 ZnO 및Au 접점 사이에 옴 접촉(ohmic contact)의 형성과 동반되는 암전류를 나타내며, 증가된 캐리어의 농도에 의한 것일 수 있는 다른 두 구성에 비해 MoS2 층이 존재하는 MoS2/ZnO/HNP 구성에서 다소 증가했다. 도 6의 (c)는 10 V에서 0.34 내지 54.9 mW/mm2 사이의 상이한 전력 밀도에서 385 nm 조명 하 MoS2/ZnO/HNP 구성의 전력 의존적인 광응답(photoresponse)을 보여준다. 일반적으로, I ph 는 증가된 광캐리어의 생성에 의해 고정 바이어스(fixed bias)에서 여기 전력의 증가와 같이 점진적으로 증가하였다. 유사하게, 도 6의 (d) 내지 도 6의 (f)에서 모든 상기 장치 구성은 매우 선형적인 전력 의존적인 광응답을 나타내었다. 각 장치 구성의 상기 광응답성(photo responsivities, R)는 도 6의 (g)에 요약되어 있으며, 이는 다음의 공식을 기반으로 계산되었다:, 여기서, I ph 는 광전류이고, I d 는 암전류이고, P d 는 전력 밀도이고, A 는 상기 장치의 활성 기하학적 영역(the active geometrical area)이다. 전력-의존성 광응답성(photo responsivities, R), 검출감도(detectivity, D) 및 외부 양자효율(external quantum efficiency, EQE)은 각각의 전력 밀도의 385 nm 조명 하에서 하기 표 1에 제공되었다. 구체적으로, 표 1에는 각 전력 밀도에서 385 nm의 조명을 사용하는 순수 ZnO, ZnO/HNP 및 MoS2/ZnO/HNP 구성의 전력 광응답성(R), 검출감도(D) 및 외부 양자 효율(EQE)이 요약되어 있다.Structural defects in the ZnO layer may be associated with the small peak at 580 cm -1 . Raman of ZnO QD confirmed that the quality of the QD layer was sufficient for use. Figure 5 (f-1) shows that the MoS 2 layer exhibits characteristic peaks at 380 and 411 cm -1 , which are mainly assigned to the E 1 2g and A 1g modes of the MoS 2 nanoflake. The E 1 2g mode is due to in-plane motion of Mo and S atoms, and the A 1g mode vibration is due to out-of-plane vibration. Because the layer was thin, the Raman intensity was weaker. Figure 6 shows the photoresponse characteristics of pure ZnO and ZnO/HNP devices and MoS 2 /ZnO/HNP hybrid architecture under 385 nm illumination with 54.9 mW/cm -2 at 10 V. Based on optical and simulation analysis, PdAg HNPs at 600 °C were selected for photodetector application. The sample can provide highly-enhanced LSPR with core-shell configuration and hotspots with well-dewetted high-density small background Ag NPs, which are suitable for photodetector applications. The hybrid device architecture was composed of a combination of MoS 2 nanoflakes and a ZnO QD layer on a PdAg HNPs layer, as shown in (a) of Figure 6. The current versus voltage ( IV ) characteristics measured under the illumination of a UV LED (385 nm, 54.9 mW/cm -2 ) at 10 V in Figure 6 (b) demonstrate the successful photocurrent from pure ZnO to MoS 2 /ZnO/HNP devices. The improvement was clearly visible. The pure ZnO has 54.9 mW/cm -2 at 10 V. It showed 6 × 10 -5 A under illumination of 385 nm. Then, the ZnO/NPs composition exhibited an order of magnitude higher I pH of approximately 5 × 10 -4 A or less. Finally, the hybrid configuration of the MoS 2 /ZnO/HNP device showed a very high photo-current of less than 5 × 10 −3 A for the same excitation. The photocurrent ( I ph ) enhancement was approximately one order of magnitude with each additional hybrid layer. That is, the I ph of the MoS 2 /ZnO/HNP composition rapidly increased by less than 2 times compared to pure ZnO under the same UV excitation. The enhancement may be due to the original electron-hole pair (EHP) generation from ZnO and additional carriers generated from plasmonic hybrid NPs and MoS 2 nanoflakes. The inset (b) of Figure 6 shows the dark current accompanying the formation of an ohmic contact between the ZnO and Au contacts, compared to the other two configurations, which may be due to the increased concentration of carriers present in the MoS 2 layer. increased slightly in the MoS 2 /ZnO/HNP composition. Figure 6(c) shows the power-dependent photoresponse of the MoS 2 /ZnO/HNP composition under 385 nm illumination at different power densities between 0.34 and 54.9 mW/mm 2 at 10 V. In general, I ph increased gradually with increasing excitation power at a fixed bias due to the production of increased photocarriers. Similarly, all of the above device configurations in Figures 6(d) to 6(f) exhibited highly linear power-dependent photoresponse. The photo responsivities ( R ) of each device configuration are summarized in Figure 6(g), and were calculated based on the following formula: , where I ph is the photocurrent, I d is the dark current, and P d is the power density and A is the active geometrical area of the device. Power-dependent photo responsivities ( R ), detection sensitivity ( D ), and external quantum efficiency ( EQE ) are provided in Table 1 below under 385 nm illumination at each power density. Specifically, Table 1 shows the power photoresponsivity (R), detection sensitivity (D), and external quantum efficiency ( EQE) is summarized.

또한, 표 2에서 상기 장치 성능 변수(parameter)는 앞서 보고된 ZnO-기반의 UV 광검출기와 비교하였다. 예상한 바와 같이, 매우 개선된 광응답성은 각 하이브리드 층의 추가와 동시에 얻어졌으며, 상기 21,111 mA/W-1의 최대 R은 0.34 mW/mm2의 전력 밀도에서 MoS2/ZnO/HNP 구성에 의해 달성되었고, 이는 순수ZnO 구성의 최대 R보다 533배 높다. 상기 광 감응도 계산은 MoS2/ZnO/HNP 구성이 심지어 앞서 보고된 ZnO-기반의 UV 광 검출기의 최상의 결과와 비교하여도 우수하다는 것을 나타낸다. 상기 증가된 전력 밀도와, 광응답성은 광캐리어 생성의 포화 또는 증가된 재혼합 속도(recombination rates)에 의해 점진적으로 감소되었다. 상기 검출감도(D) 는 다음의 식, 에 따라 계산되었고, 여기서 A는 활성 영역이고, R은 광응답성이고, Id는 암전류이고, e는 기본 전하이다. 도 6의 (d)에 요약된 바와 같이, 상기 MoS2/ZnO/HNP 광검출기는 0.34 mW/mm2에서, 7.92 × 1011 존스(jones)의 가장 높은 검출감도를 나타냈고, 이는 순수 ZnO 및 ZnO/HNP 광검출기보다 상당히 높았다. 또한, 표 2에 보이는 바와 같이, 이전 결과들의 대부분이 검출감도가 포함되어 있지 않았으나, 검출감도 D는 광 감응도(R)과 정비례하므로, MoS2/ZnO/HNP구성이 우수함을 알 수 있다. 유사하게, 각 장치의 외부 양자효율(EQE)은 를 기반으로 계산되었으며, 여기서, 는 광의 단색파장(monochromatic wavelength, nm). 순수 ZnO, ZnO/HNP 및 MoS2/ZnO/HNP에 대한 최대 EQE는 0.34 mW/mm2 에서 각각 12.7, 177 및 6,800 %이었다. 즉, MoS2/ZnO/HNP 구성의 EQE는 더 우수하였다. 전반적으로, 광검출기의 성능 변수(performance parameters)는 시연된 장치 아키텍처에 대해 계산되었으며, 표 2에 요약된 바와 같이, MoS2/ZnO/HNP 의 상기 하이브리드 장치 구성은 최상의 변수를 명확하게 나타내었고, 이는 제안된 MoS2/ZnO/HNP의 하이브리드 구성이 효율적인 광검출기 아키텍처임을 나타내었다(하기 표 2의 MoS2/ZnO/HNP는 본 발명의 아키텍처를 나타낸다).Additionally, in Table 2, the device performance parameters were compared with the previously reported ZnO-based UV photodetector. As expected, greatly improved photoresponsivity was obtained with the addition of each hybrid layer, with a maximum R of 21,111 mA/W -1 achieved by the MoS 2 /ZnO/HNP configuration at a power density of 0.34 mW/mm 2 . was achieved, which is 533 times higher than the maximum R of pure ZnO composition. The photoresponsivity calculations show that the MoS 2 /ZnO/HNP configuration is superior even compared to the best results of previously reported ZnO-based UV photodetectors. With the increased power density, photoresponsiveness gradually decreased due to saturation of optical carrier production or increased recombination rates. The detection sensitivity ( D ) is expressed by the following equation, was calculated according to where A is the active area, R is the photoresponsiveness, I d is the dark current, and e is the elementary charge. As summarized in (d) of FIG. 6, the MoS 2 /ZnO/HNP photodetector showed the highest detection sensitivity of 7.92 × 10 11 jones at 0.34 mW/mm 2 , which was comparable to that of pure ZnO and It was significantly higher than that of the ZnO/HNP photodetector. Additionally, as shown in Table 2, most of the previous results did not include detection sensitivity, but since detection sensitivity D is directly proportional to light sensitivity (R), it can be seen that the MoS 2 /ZnO/HNP composition is excellent. Similarly, the external quantum efficiency (EQE) of each device is Calculated based on , where: is the monochromatic wavelength (nm) of light. The maximum EQE for pure ZnO, ZnO/HNP, and MoS 2 /ZnO/HNP was 12.7, 177, and 6,800 % at 0.34 mW/mm 2 , respectively. In other words, the EQE of the MoS 2 /ZnO/HNP composition was better. Overall, the performance parameters of the photodetector were calculated for the demonstrated device architectures, and as summarized in Table 2, the hybrid device configuration of MoS 2 /ZnO/HNP clearly exhibited the best parameters; This indicated that the proposed hybrid configuration of MoS 2 /ZnO/HNP was an efficient photodetector architecture (MoS 2 /ZnO/HNP in Table 2 below represents the architecture of the present invention).

[45] X. Wang, K. Liu, X. Chen, B. Li, M. Jiang, Z. Zhang, H. Zhao, D. Shen, Highly Wavelength-Selective Enhancement of Responsivity in Ag Nanoparticle-Modified ZnO UV Photodetector, ACS Appl. Mater. Interfaces. 9 (2017) 5574-5579. https://doi.org/10.1021/acsami.6b14430.[45] X. Wang, K. Liu, , ACS Appl. Mater. Interfaces. 9 (2017) 5574-5579. https://doi.org/10.1021/acsami.6b14430.

[10] Z. Yang, M. Wang, Q. Zhao, H. Qiu, J. Li, X. Li, J. Shao, Dielectrophoretic-Assembled Single and Parallel-Aligned Ag Nanowire-ZnO-Branched Nanorod Heteronanowire Ultraviolet Photodetectors, ACS Appl. Mater. Interfaces. 9 (2017) 22837-22845. https://doi.org/10.1021/acsami.7b05485.[10] Z. Yang, M. Wang, Q. Zhao, H. Qiu, J. Li, ACS Appl. Mater. Interfaces. 9 (2017) 22837-22845. https://doi.org/10.1021/acsami.7b05485.

[24] S. Liu, M.Y. Li, J. Zhang, D. Su, Z. Huang, S. Kunwar, J. Lee, Self-Assembled Al Nanostructure/ZnO Quantum Dot Heterostructures for High Responsivity and Fast UV Photodetector, Nano-Micro Lett. 12 (2020). https://doi.org/10.1007/s40820-020-00455-9.[24] S. Liu, M.Y. Li, J. Zhang, D. Su, Z. Huang, S. Kunwar, J. Lee, Self-Assembled Al Nanostructure/ZnO Quantum Dot Heterostructures for High Responsivity and Fast UV Photodetector, Nano-Micro Lett. 12 (2020). https://doi.org/10.1007/s40820-020-00455-9.

[46] I. Ben Elkamel, N. Hamdaoui, A. Mezni, R. Ajjel, L. Beji, High responsivity and 1/ f noise of an ultraviolet photodetector based on Ni doped ZnO nanoparticles, RSC Adv. 8 (2018) 32333-32343. https://doi.org/10.1039/C8RA05567J.[46] I. Ben Elkamel, N. Hamdaoui, A. Mezni, R. Ajjel, L. Beji, High responsivity and 1/ f noise of an ultraviolet photodetector based on Ni doped ZnO nanoparticles, RSC Adv. 8 (2018) 32333-32343. https://doi.org/10.1039/C8RA05567J.

[47] M. Li, M. Yu, D. Su, J. Zhang, S. Jiang, J. Wu, Q. Wang, S. Liu, Ultrahigh responsivity UV photodetector based on Cu nanostructure/ZnO QD hybrid architectures, Small. 15 (2019) 1901606.[47] M. Li, M. Yu, D. Su, J. Zhang, S. Jiang, J. Wu, Q. Wang, S. Liu, Ultrahigh responsivity UV photodetector based on Cu nanostructure/ZnO QD hybrid architectures, Small . 15 (2019) 1901606.

[48] J. Wang, Q. Zheng, Enhancing the performance of photomultiplication-type organic photodetectors using solution-processed ZnO as an interfacial layer, J. Mater. Chem. C. 7 (2019) 1544-1550. https://doi.org/10.1039/C8TC04962A.[48] J. Wang, Q. Zheng, Enhancing the performance of photomultiplication-type organic photodetectors using solution-processed ZnO as an interfacial layer, J. Mater. Chem. C. 7 (2019) 1544-1550. https://doi.org/10.1039/C8TC04962A.

[8] S.S. Mousavi, A. Kazempour, B. Efafi, M.H.M. Ara, B. Sajad, Effects of graphene quantum dots interlayer on performance of ZnO-based photodetectors, Appl. Surf. Sci. 493 (2019) 1187-1194. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.07.145.[8] S.S. Mousavi, A. Kazempour, B. Efafi, M.H.M. Ara, B. Sajad, Effects of graphene quantum dots interlayer on performance of ZnO-based photodetectors, Appl. Surf. Sci. 493 (2019) 1187-1194. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.07.145.

[49] X. Wang, K. Xu, X. Yan, X. Xiao, C. Aruta, V. Foglietti, Z. Ning, N. Yang, Amorphous ZnO/PbS Quantum Dots Heterojunction for Efficient Responsivity Broadband Photodetectors, ACS Appl. Mater. Interfaces. 12 (2020) 8403-8410. https://doi.org/10.1021/acsami.9b19486.[49] X. Wang, K. Xu, X. Yan, . Mater. Interfaces. 12 (2020) 8403-8410. https://doi.org/10.1021/acsami.9b19486.

[6] M. Zheng, P. Gui, X. Wang, G. Zhang, J. Wan, H. Zhang, G. Fang, H. Wu, Q. Lin, C. Liu, ZnO ultraviolet photodetectors with an extremely high detectivity and short response time, Appl. Surf. Sci. 481 (2019) 437-442. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.03.110.[6] M. Zheng, P. Gui, X. Wang, G. Zhang, J. Wan, H. Zhang, G. Fang, H. Wu, Q. Lin, C. Liu, ZnO ultraviolet photodetectors with an extremely high Detectivity and short response time, Appl. Surf. Sci. 481 (2019) 437-442. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.03.110.

도 7의 (a) 내지 7의 (c)는 실온에서 54.9 mW/mm2의 밀도와 385 nm 파장으로 조사된 순수 ZnO, ZnO/HNP 및 MoS2/ZnO/HNP 광검출기의 시간에 따른 광전류의 온-오프 특성을 보여준다. 상기 조사원(irradiation source)은 20초 간격으로 켜지고 꺼졌다. 곡선으로부터, 모든 장치가 안정적인 광전류 응답을 보임을 알 수 있다. 상기 전류는 UV 조사 시 급격하게 증가하여, 우수한 안정성과 반복성을 나타내었다. 도 7의 (d) 내지 7의 (f)은 10 V에서 385 nm 조명하에서 순수 ZnO, ZnO/HNP 및 MoS2/ZnO/HNP 광검출기의 시간 의존적인 광응답을 보여준다. 상승시간(tr) 및 하강 시간(tf)은 최대 광전류가 90 % (tr) 및 10 % (tf)에 도달하기 위해 요구되는 시간으로 정의되었다. tr 및tf 는 도 7의 (d) 내지 7의 (f)에 보이는 바와 같이, 3장치에 대해 6 및 0.34 s, 4 및 0.45 s 및 5 및 4.5 s인 것으로 나타났다. 상기 수치는 유사한 범위에 있으나, MoS2/ZnO/HNP구성은4.5 s의 더 긴 tf를 보여주었으며, 이는 MoS2 나노플레이크의 추가로 전하 트래핑 센터의 증가된 밀도에 의해 지연된 재혼합에 의한 것일 수 있다. 도 7의 (g)에 게시된 바와 같이, 54.9 mW/mm2의 고정된 강도에 대해 1, 5 및 10 V의 상이한 바이어스 전압(biasing voltages)에서 측정되었으며, 이는 증가된 바이어싱(biasing)과 점진적으로 증가된 R을 나타낸다. 상기 생성된 광캐리어는 증가된 바이어스에서 더 빠르게 수집될 수 있다. 나아가, 도 27의 (d) 및 (f)에서, 상기 파장-의존적인 광응답성은 275 및 850 nm 사이의 상이한 파장의 조명하에서 조사되었다. 세 장치 모두 가시광선 및 근적외선(NIR)영역에서 무시 가능한 광응답성이 얻어진 반면, 275 및 385 nm 에서는 높은 광응답성이 나타났다. 상이한 전압 및 파장에서의 광응답성, 검출감도 및 EQE 값의 특정 수치는 표 3 및 4에 제시되어 있다. 추가적인 과도응답(transient response), 전압-의존적 특성, 더 많은 광-응답은 도 26 및 도 27에 제공되었다. 7(a) to 7(c) show the photocurrent over time of pure ZnO, ZnO/HNP, and MoS 2 /ZnO/HNP photodetectors irradiated with a density of 54.9 mW/mm 2 and a wavelength of 385 nm at room temperature. It shows on-off characteristics. The irradiation source was turned on and off at 20 second intervals. From the curves, it can be seen that all devices show stable photocurrent response. The current increased rapidly upon UV irradiation, showing excellent stability and repeatability. Figures 7(d) to 7(f) show the time-dependent photoresponses of pure ZnO, ZnO/HNP, and MoS 2 /ZnO/HNP photodetectors under 385 nm illumination at 10 V. Rise time (t r ) and fall time (t f ) were defined as the time required for the maximum photocurrent to reach 90% (t r ) and 10% (t f ). t r and t f were found to be 6 and 0.34 s, 4 and 0.45 s, and 5 and 4.5 s for the three devices, as shown in Figures 7 (d) to 7 (f). Although the above values are in a similar range, the MoS 2 /ZnO/HNP composition showed a longer t f of 4.5 s, which may be due to delayed remixing caused by the increased density of charge trapping centers with the addition of MoS 2 nanoflakes. You can. As shown in (g) of Figure 7, measurements were made at different biasing voltages of 1, 5 and 10 V for a fixed intensity of 54.9 mW/mm 2 , which shows that with increased biasing and Shows a gradually increased R. The generated optical carriers can be collected more quickly at increased bias. Furthermore, in Figures 27 (d) and (f), the wavelength-dependent photoresponsiveness was investigated under different wavelengths of illumination between 275 and 850 nm. For all three devices, negligible photoresponsiveness was obtained in the visible and near-infrared (NIR) regions, while high photoresponsiveness was observed at 275 and 385 nm. Specific values of photoresponsivity, detection sensitivity and EQE values at different voltages and wavelengths are presented in Tables 3 and 4. Additional transient response, voltage-dependent characteristics, and more photo-response are provided in Figures 26 and 27.

도 7의 (h)는 MoS2/ZnO/HNP 구성에 대한 로컬e-필드 분포(e-field distribution)의 유한차분시간영역 시뮬레이션을 나타낸다. 도 4의 (h)에서 PdAg HNPs에 대한 25.1의 최대 로컬 e-필드 강도(maximum local e-field intensity, MLEI)로부터, ZnO QDs 및 MoS2 나노플레이크 추가 후 45.53으로, 1.8배까지 상당히 증가하였다. 또한, 상기 핫스팟은 HNPs 주변에서 매우 증강되었다. 이것은 MoS2/ZnO/HNP의 하이브리드 구성이 매우 개선된 핫 스팟과 함께 매우 증가된 LSPR를 제공할 수 있다는 것을 확인한다. 도 7의 (i)는 광전류(I ph ) 증강을 시각화하기 위해 MoS2/ZnO/HNP의 하이브리드 장치 아키텍처의 도식적인 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)을 보여준다. 상기 증가된 I ph 는 HNPs의 강력하게 개선된 LSPR를 통해 핫 캐리어(hot carrier, 한국센서연구소) 주입과 다이어그램의 유도 밴드에서 명확하게 보이는 바와 같이, 상기 ZnO QD층의 본래의 광-유도된 캐리어 상에 MoS2 NFs으로부터의 추가적인 광 캐리어주입과 관련이 있을 수 있다. 초기에, I ph 기여는 ZnO QD 층 내의 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP) 생성에서 유래되었다. Ag (4.26 eV) 및 Pd (5.22 eV) NPs에 비해 ZnO (5.2 ~ 5.3 eV)의 더 큰 일함수(work function)로 인해, PdAg HNPs 및 ZnO 표면에서 약간의 상향 굽힘(upward bending)이 예상될 수 있다. 합금 물질의 일함수는 조성에 의존하는 두 일함수 사이에 있다. 도 7의 (h)에 나타난 바와 같이, 추가적인 열전자(hot electrons)는 UV조명에 대한 그들의 강한 LSPR에 의해 HNPs로부터 주입될 수 있다. 이것은 광전류의 상당한 증강을 가져올 수 있으므로, 논의된 바와 같이, 장치의 감응도를 높일 수 있다. 유사하게, 추가적인 광캐리어는 MoS2 나노플레이크의 몇 개의 층을 추가하여, 생성될 수 있고, ZnO QD층의 유도밴드로 전달 될 수 있다. 2D TMD MoS2 나노플레이크의 얇은 층이 이 많은 전류를 유도할 수 있다는 것은 매우 놀랍다. 1.4 eV이하의 밴드갭을 가진 MoS2 나노 플레이크는 충분하게 UV가 흡수된 상당한 광캐리어의 생성을 입증한다.Figure 7 (h) shows a finite difference time domain simulation of the local e-field distribution for the MoS 2 /ZnO/HNP configuration. In Figure 4 (h), the maximum local e-field intensity (MLEI) of 25.1 for PdAg HNPs significantly increased to 45.53 after the addition of ZnO QDs and MoS 2 nanoflakes, up to 1.8 times. Additionally, the hotspots were highly enhanced around HNPs. This confirms that the hybrid configuration of MoS 2 /ZnO/HNP can provide greatly increased LSPR with greatly improved hot spot. Figure 7 (i) shows a schematic energy band diagram of the hybrid device architecture of MoS 2 /ZnO/HNP to visualize photocurrent ( I ph ) enhancement. The increased I pH is due to hot carrier (Korea Sensor Research Institute) injection through the strongly improved LSPR of HNPs and native photo-induced carriers in the ZnO QD layer, as clearly visible in the induced band in the diagram. This may be related to the injection of additional optical carriers from MoS 2 NFs into the phase. Initially, the I pH contribution originated from electron-hole pair (EHP) generation within the ZnO QD layer. Due to the larger work function of ZnO (5.2 ~ 5.3 eV) compared to Ag (4.26 eV) and Pd (5.22 eV) NPs, a slight upward bending is expected on the surfaces of PdAg HNPs and ZnO. You can. The work function of an alloy material lies between two work functions depending on its composition. As shown in Figure 7(h), additional hot electrons can be injected from HNPs by their strong LSPR under UV illumination. This can result in a significant enhancement of the photocurrent and thus increase the sensitivity of the device, as discussed. Similarly, additional photocarriers can be created by adding several layers of MoS 2 nanoflakes and transferred to the guided band of the ZnO QD layer. It is quite surprising that a thin layer of 2D TMD MoS 2 nanoflakes can induce this much current. MoS 2 nanoflakes with a bandgap of less than 1.4 eV demonstrate the generation of significant photocarriers with sufficient UV absorption.

2-3. 결론2-3. conclusion

요약하면, PdAg 하이브리드 NPs의 고유한 구성은 2-단계 고체 상태 디웨팅 기법을 기반으로 성공적으로 제조되었으며, 매우 증강된 LSPR 특성은 광학 분석에 의해 입증되었다. 상기 FDTD 시뮬레이션은 PdAg HNPs의 MELI가 상당히 개선됨을 확인하였다. 600 ℃에서 전형적인 PdAg HNPs는 MoS2/ZnO/HNP 구성에서 ZnO QD층 및 MOS2 플레이크는 고유한 UV 검출기 아키텍처에 맞게 조정되었다. 초기에, 순수 Pd의 템플릿 NPs는 SSD 및 Ag 코팅 두께의 체계적인 제어에 의해 사파이어(0001) 상에 제조되었고, 하이브리드 HNPs는 백그라운드 Ag NPs를 가지도록 제작되었다. 고밀도 백그라운드 NP를 가진 고유한 코어-쉘 구성은 매우 증강된 LSPR 및 핫 스팟을 나타내었다. 최적화된 장치 아키텍처로, 우수한 성능 변수, 즉, 21,111 mA/W의 감응도, 7.9 × 1011 존스의 검출감도 및 6,800 %의 EQE가 10 V 0.34 mW/mm2의 385 nm 파장 하에서 달성되었다. 이것은 유사한 종류(breeds)의 앞서 보고된 결과에 비해 상당히 개선된 성능이다. 또한, MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 아키텍처의 MELI도 ZnO QDs 및 MoS2 나노플레이크의 어플리케이션과 함께 매우 증가되었다.In summary, a unique configuration of PdAg hybrid NPs was successfully fabricated based on a two-step solid-state dewetting technique, and highly enhanced LSPR properties were demonstrated by optical analysis. The FDTD simulation confirmed that the MELI of PdAg HNPs was significantly improved. At 600 °C, typical PdAg HNPs were assembled in a MoS 2 /ZnO/HNP configuration, where the ZnO QD layer and MOS 2 flakes were tailored to a unique UV detector architecture. Initially, template NPs of pure Pd were fabricated on sapphire (0001) by systematic control of SSD and Ag coating thickness, and hybrid HNPs were fabricated with background Ag NPs. The unique core-shell configuration with high density background NPs exhibited highly enhanced LSPR and hot spots. With the optimized device architecture, excellent performance parameters, i.e., a response of 21,111 mA/W, a detection sensitivity of 7.9 This is a significant performance improvement compared to previously reported results for similar breeds. Additionally, the MELI of the MoS 2 /ZnO/HNP hybrid architecture was also greatly increased with the application of ZnO QDs and MoS 2 nanoflakes.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량할 수 있음이 명백하다. 본 발명의 단순한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.Although the present invention has been described in detail through specific examples, this is for detailed explanation of the present invention, and the present invention is not limited thereto, and can be understood by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention. It is clear that it can be modified or improved. All simple modifications or changes of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be made clear by the appended patent claims.

Claims (10)

베이스 기판;
상기 베이스 기판 상에 형성된 하이브리드 나노입자(hybrid nanoparticles, HNPs)을 포함하는 하이브리드 나노입자층;
상기 하이브리드 나노입자층 상에 형성된 ZnO 양자점(quantum dots, QDs)층; 및
전이 금속 디칼코게니드(dichalcogenide) 층을 포함하고,
상기 하이브리드 나노입자(HNPs)는 팔라듐(Pd) 원소를 포함하는 코어; 및
은(Ag) 원소를 포함하는 쉘 층을 포함하는, 코어-쉘 구조의 하이브리드 나노입자(HNPs) 및 복수의 Ag 나노입자를 포함하고,
상기 베이스 기판은 사파이어(Al2O3)인, UV 광검출기용 기판.
base substrate;
A hybrid nanoparticle layer containing hybrid nanoparticles (HNPs) formed on the base substrate;
A ZnO quantum dot (QDs) layer formed on the hybrid nanoparticle layer; and
comprising a transition metal dichalcogenide layer,
The hybrid nanoparticles (HNPs) include a core containing the element palladium (Pd); and
Containing core-shell structured hybrid nanoparticles (HNPs) and a plurality of Ag nanoparticles, including a shell layer containing a silver (Ag) element,
The base substrate is sapphire (Al 2 O 3 ), a substrate for a UV photodetector.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 쉘 층의 두께는 5nm 이상 내지 20nm 미만인, UV 광검출기용 기판.
According to paragraph 1,
A substrate for a UV photodetector, wherein the shell layer has a thickness of 5 nm or more and less than 20 nm.
제1항에 있어서,
상기 ZnO 양자점(QDs)은 전극 사이에 150 내지 300μm의 와이드 밴드갭 가지고, 평균 두께는 50nm 이상 내지 300nm 이하인, UV 광검출기용 기판.
According to paragraph 1,
The ZnO quantum dots (QDs) have a wide band gap of 150 to 300 μm between electrodes and an average thickness of 50 nm to 300 nm.
제1항에 있어서,
상기 전이 금속 디칼코게니드(dichalcogenide) 층은 MoS2 나노플레이크로 구성되는, UV 광검출기용 기판.
According to paragraph 1,
A substrate for a UV photodetector, wherein the transition metal dichalcogenide layer is composed of MoS 2 nanoflakes.
제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 UV 광검출기용 기판; 및
상기 UV 광검출기용 기판상에 형성된 Au 전극;을 포함하는, UV 광검출기.
A substrate for a UV photodetector according to any one of claims 1 and 3 to 5; and
A UV photodetector comprising; an Au electrode formed on the UV photodetector substrate.
제6항에 기재된 UV 광검출기의 제조방법으로,
베이스 기판 상에 하이브리드 나노입자(HNPs)를 포함하는 하이브리드 나노입자층을 형성하는 하이브리드 나노입자층 형성단계;
상기 하이브리드 나노입자층 상에 ZnO 양자점층을 형성하는 양자점층 형성단계; 및
ZnO 양자점층 상에 전이 금속 디칼코게니드(dichalcogenide) 층을 형성하는 단계를 포함하는 UV 광검출기의 제조 방법.
The method for manufacturing the UV photodetector described in paragraph 6,
A hybrid nanoparticle layer forming step of forming a hybrid nanoparticle layer containing hybrid nanoparticles (HNPs) on a base substrate;
A quantum dot layer forming step of forming a ZnO quantum dot layer on the hybrid nanoparticle layer; and
A method of manufacturing a UV photodetector comprising forming a transition metal dichalcogenide layer on a ZnO quantum dot layer.
제7항에 있어서,
상기 하이브리드 나노입자층 형성 단계는 상기 베이스 기판상에 서로 분리된 복수의 제1 금속의 나노입자 섬(islands)을 형성하는 단계; 및
상기 제1 금속의 나노입자 섬 상에 제2 금속을 증착하고, 550 내지 650℃에서 어닐링하는 단계를 포함하는, UV 광검출기의 제조 방법.
In clause 7,
The hybrid nanoparticle layer forming step includes forming nanoparticle islands of a plurality of first metals separated from each other on the base substrate; and
A method of manufacturing a UV photodetector, comprising depositing a second metal on the nanoparticle island of the first metal and annealing at 550 to 650°C.
제8항에 있어서,
상기 제1 금속은 Pd이며, 상기 제2 금속은 Ag이고, 상기 하이브리드 나노입자(HNPs)는 PdAg인, UV 광검출기의 제조 방법.
According to clause 8,
The first metal is Pd, the second metal is Ag, and the hybrid nanoparticles (HNPs) are PdAg.
제8항에 있어서,
상기 증착된 제 2 금속의 두께는 1nm 이상 내지 20nm 미만인, UV 광검출기의 제조 방법.
According to clause 8,
A method of manufacturing a UV photodetector, wherein the thickness of the deposited second metal is 1 nm or more and less than 20 nm.
KR1020210183122A 2021-12-20 2021-12-20 Substrate for UV photodetector comprising plasmonic hybrid nanoparticles, zinc oxide quantum dots and transition metal dichalcogenide and hybrid UV photodetector using the same KR102649305B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210183122A KR102649305B1 (en) 2021-12-20 2021-12-20 Substrate for UV photodetector comprising plasmonic hybrid nanoparticles, zinc oxide quantum dots and transition metal dichalcogenide and hybrid UV photodetector using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210183122A KR102649305B1 (en) 2021-12-20 2021-12-20 Substrate for UV photodetector comprising plasmonic hybrid nanoparticles, zinc oxide quantum dots and transition metal dichalcogenide and hybrid UV photodetector using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230094000A KR20230094000A (en) 2023-06-27
KR102649305B1 true KR102649305B1 (en) 2024-03-20

Family

ID=86947253

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210183122A KR102649305B1 (en) 2021-12-20 2021-12-20 Substrate for UV photodetector comprising plasmonic hybrid nanoparticles, zinc oxide quantum dots and transition metal dichalcogenide and hybrid UV photodetector using the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102649305B1 (en)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101939450B1 (en) 2016-12-27 2019-01-16 울산과학기술원 Forming method of metal oxide layer on graphene, metal oxide layer on graphene formed thereby and electronic device comprising the metal oxide layer on graphene
KR102555835B1 (en) * 2020-05-07 2023-07-14 광운대학교 산학협력단 Substrate for photodetector comprising AgAu alloy nanoparticles and UV photodetector based on GaN using the same
KR102425182B1 (en) * 2020-05-29 2022-07-26 광운대학교 산학협력단 Substrate for photodetector comprising heterostructure of Al and ZnO, and UV photodetector comprising the same
KR102507617B1 (en) * 2021-04-08 2023-03-08 광운대학교 산학협력단 Substrate for UV photodetector comprising plasmonic hybrid nanoparticles, titanium dioxide and graphene quantum dots and hybrid UV photodetector using the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ghazanfar Nazir et al., RSC Adv. 2017 7 16890-16900 (2017.03.17.)공개
광운대학교 홈페이지, KWANGWOON university, KW-LIFE, Notice, No.260 (2021.11.18.)공개

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230094000A (en) 2023-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. Low‐dimensional plasmonic photodetectors: recent progress and future opportunities
Tang et al. Scalable fabrication of infrared detectors with multispectral photoresponse based on patterned colloidal quantum dot films
Flemban et al. A photodetector based on p-Si/n-ZnO nanotube heterojunctions with high ultraviolet responsivity
Kang et al. An ultrahigh‐performance photodetector based on a perovskite–transition‐metal‐dichalcogenide hybrid structure
Ray et al. One-dimensional Si/Ge nanowires and their heterostructures for multifunctional applications—a review
Kumar et al. Fabrication of silicon nanowire arrays based solar cell with improved performance
Mandavkar et al. Significantly improved photo carrier injection by the MoS2/ZnO/HNP hybrid UV photodetector architecture
You et al. Single‐crystal ZnO/AlN core/shell nanowires for ultraviolet emission and dual‐color ultraviolet photodetection
Hwang et al. Using the surface plasmon resonance of Au nanoparticles to enhance ultraviolet response of ZnO nanorods-based Schottky-barrier photodetectors
Das et al. Efficacy of ion implantation in zinc oxide for optoelectronic applications: A review
Kumar et al. Influence of Cu dopant on the optical and electrical properties of spray deposited tin sulphide thin films
Venugopal et al. Plasmonics effect of Ag nanoislands covered n-Al: ZnO/p-Si heterostructure
Dhyani et al. High speed MSM photodetector based on Ge nanowires network
Chen et al. Realization of an efficient electron source by ultraviolet-light-assisted field emission from a one-dimensional ZnO nanorods/n-GaN heterostructure photoconductive detector
Mandavkar et al. Dual-step photocarrier injection by mixture layer of ZnO QDs and MoS2 NPs on hybrid PdAu NPs
WO2016161340A1 (en) Compositions for uv sequestration and methods of use
KR102555835B1 (en) Substrate for photodetector comprising AgAu alloy nanoparticles and UV photodetector based on GaN using the same
Lin et al. Hybrid UV Photodetector Design Incorporating AuPt Alloy Hybrid Nanoparticles, ZnO Quantum Dots, and Graphene Quantum Dots
Horley et al. Optoelectronic properties of Ni–GaP diodes with a modified surface
KR102649305B1 (en) Substrate for UV photodetector comprising plasmonic hybrid nanoparticles, zinc oxide quantum dots and transition metal dichalcogenide and hybrid UV photodetector using the same
JPWO2016017763A1 (en) Quantum dot solar cell
Rajab et al. Laser induced hydrothermal growth of ZnO rods for UV detector application
Balakrishnan et al. Ternary alloyed HgCdTe nanocrystals for short-wave and mid-wave infrared region optoelectronic applications
Rezk et al. Strong reduction in GE film reflectivity by an overlayer of 3 nm Si nanoparticles: Implications for photovoltaics
KR102507617B1 (en) Substrate for UV photodetector comprising plasmonic hybrid nanoparticles, titanium dioxide and graphene quantum dots and hybrid UV photodetector using the same

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right