Enhanced photoresponse of Cu2O/ZnO heterojunction with ... 2 Enhanced Photoresponse of Cu2O/ZnO...

download Enhanced photoresponse of Cu2O/ZnO heterojunction with ... 2 Enhanced Photoresponse of Cu2O/ZnO heterojunction

of 16

  • date post

    03-Aug-2020
  • Category

    Documents

  • view

    6
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Enhanced photoresponse of Cu2O/ZnO heterojunction with ... 2 Enhanced Photoresponse of Cu2O/ZnO...

  • Nano Res 

    1

    Enhanced photoresponse of Cu2O/ZnO heterojunction

    with piezo-modulated interface engineering Pei Lin1, §, Xiaoqin Yan1, §, Xiang Chen1 , Zheng Zhang1, Haoge Yuan1, Peifeng Li1, Yanguang Zhao1, Yue Zhang1,2 ()

    Nano Res., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1007/s12274-014-0447-6 http://www.thenanoresearch.com on March 7, 2014 © Tsinghua University Press 2014

    Just Accepted    This  is a “Just Accepted” manuscript, which has been examined by  the peer‐review process and has been  accepted  for  publication. A  “Just Accepted” manuscript  is  published  online  shortly  after  its  acceptance,  which  is prior  to  technical  editing  and  formatting  and  author proofing. Tsinghua University Press  (TUP)  provides “Just Accepted” as an optional and free service which allows authors to make their results available  to  the  research  community  as  soon  as possible  after  acceptance. After  a manuscript has  been  technically  edited  and  formatted,  it will  be  removed  from  the  “Just Accepted” Web  site  and published  as  an ASAP  article.  Please  note  that  technical  editing  may  introduce  minor  changes  to  the  manuscript  text  and/or  graphics which may affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain. In no event  shall TUP be held responsible for errors or consequences arising from the use of any information contained  in these “Just Accepted” manuscripts. To cite this manuscript please use its Digital Object Identifier (DOI®),  which is identical for all formats of publication. 

         

    Nano Research   DOI 10.1007/s12274‐014‐0447‐6 

  • 1

    Enhanced Photoresponse of Cu2O/ZnO

    heterojunction with Piezo-modulated Interface

    Engineering

    Pei Lin1, Xiaoqin Yan1, Xiang Chen1, Zheng Zhang1,

    Haoge Yuan1, Yanguang Zhao1, Peifeng Li1, Yue

    Zhang1,2*

    1 State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, People’s Republic of China. 2 Key Laboratory of New Energy Materials and

    Technologies, University of Science and Technology

    Beijing, Beijing 100083, People’s Republic of China.

    Piezo-modulated interface engineering to enhance the photoresponse of

    all-oxide Cu2O/ZnO heterojunction was firstly reported. Under the

    illumination of 17.2 mw/cm2, a photoresponse increase of 18.6% has

    been obtained when applying a -0.88% compressive strain.

  • 2

    Enhanced Photoresponse of Cu2O/ZnO heterojunction with Piezo-modulated Interface Engineering

    Pei Lin1, §, Xiaoqin Yan1, §, Xiang Chen1 , Zheng Zhang1, Haoge Yuan1, Peifeng Li1, Yanguang Zhao1, Yue Zhang1,2 () 1 State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, People’s Republic of China. 2 Key Laboratory of New Energy Materials and Technologies, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, People’s Republic of China. § These two authors contributed equally to this work. Received: day month year / Revised: day month year / Accepted: day month year (automatically inserted by the publisher) © Tsinghua University Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

     

    ABSTRACT    The  ability  to  arbitrarily  regulate  semiconductor  interface  provides  the most  effective way  to modulate  performance  of  optoelectronic devices. However,  relatively  less work were  reported  on  piezo‐modulated  interface engineering  in all‐oxide system. In this paper, an enhanced photoresponse of all‐oxide Cu2O/ZnO  heterojunction  was  obtained  by  taking  advantage  of  the  piezotronic  effect.  The  illumination  density‐dependent  piezoelectric  modulation  ability  was  also  comprehensively  investigated.  An  18.6%  enhancement of photoresponse has been achieved when applying a ‐0.88% compressive strain. Comparative  experiment confirmed  that  this enhancement could be  interpreted  from  the band modification  induced by  interfacial piezoelectric polarization. Positive piezopotential generated at ZnO side produces an augment of  space  charge  region  in Cu2O,  thus  providing  an  extra  driving  force  to  separate  the  excitons  apart more  efficiently  under  illumination.  Our  research  provides  a  promising method  to  boost  the  performance  of  optoelectronics without altering the interface structure and could be extended to other metal oxide devices.    KEYWORDS    all‐oxide device, piezotronic effect, interface modulation, enhanced photoresponse

    Introduction 

    Exploitation of interface phenomena has always been  a  focus  in  fundamental  semiconductor  research. As  we all know, performance of semiconductor devices  depends more on the properties of interface than the  bulk material which is away from the interface [1‐2].  The  rational  design  of  customized  homo  or 

    heterojunctions  could  give  rise  to  a  multitude  of  fascinating  discoveries,  such  as  interface  superconductivity, p‐n switching and quantum Hall  effect,  enabling  novel  electronics  or  photonics with  remarkable functional behaviors [3‐6]. In recent years,  intensive  efforts  have  been  made  to  realize  the  precise  tailoring of  interfacial  energetics. Among of  which,  morphological  control  of  materials  and 

    Nano Res   DOI (automatically inserted by the publisher)  Research Article 

    ———————————— Address correspondence to Yue Zhang, yuezhang@ustb.edu.cn

  • 3

    surface  modification  are  the  most  common  approaches.  In  the  case  of  catalysis,  enhanced  catalytic  activity  could  be  achieved  through  shape‐controlled  synthesis  of  metal  crystals  with  exposed more active facets [7]. For quantum dot (QD)  solar  cells,  a  larger  photocurrent  is  procurable  through  moderate  energy  level  alignment  of  QDs  using molecular dipoles modification [8].     

    Recently,  all‐oxide  semiconductor  devices  have  attracted much attention with potential applications  in  optoelectronics  in  virtue  of  their  natural  abundance,  excellent  chemical  stability,  nontoxicity  and facile low‐cost manufacturing methods [9‐10]. So  far, two of the promising candidates for such devices  are  Cu2O  and  one‐dimensional  (1‐D)  ZnO  nanomaterials  [11‐15]. As  a  p‐type direct  band  gap  semiconductor,  Cu2O  exhibits  favorable  solar  spectral  absorption  in  the  visible  range, while  1‐D  ZnO provides a direct pathway for efficient electron  charge  transport.  Besides,  the  unique  piezoelectric  property  of  ZnO  could  be  used  to  optimize  the  heterointerface with  the  appearance of piezoelectric  polarization [16‐20].   

    Many techniques have been implemented with the  focus  of  improving  photoresponse  of  Cu2O/ZnO,  such  as  optimization  of  material  property,  novel  device  structure  design  and  improved  fabrication  method  [21‐24].  However,  to  the  best  of  our  knowledge,  relatively  less work have been directed  to  piezo‐modulated  interface  engineering  in  the  Cu2O/ZnO  system.  In  this  paper,  piezotronic  effect  on  the  photoresponse  performance  of  Cu2O/ZnO  devices  is  systematically  investigated  and  an  interface energy band  theory  is proposed  to explain  these phenomena. The photoresponse current at zero  bias was  enhanced  18.6% when  applying  a  ‐0.88%  compressive  strain  with  the  response  time  in  the  range  of  millisecond  (ms).  The  illumination‐density‐dependent  piezoelectric  modulation  ability  was  also  comprehensively  studied.  The  well‐designed  control  experiment  confirmed  that  such  enhancement  originates  from  the  polar  piezotronic  effect  rather  than  other  nonpolar  factors,  such  as  piezoresistive  effect,  change of contact resistance or the defect states. This 

    exploitation  of  oxide  interfaces  holds  promise  as  a  new  route  to  boost  the  all‐oxide  optoelectronic  devices  performance,  such  as  photovoltaics  or  photosensors. 

     

    1 Experimental section 

    Both  of  the  p‐type  Cu2O  and  n‐type  ZnO  were  synthesized with  low‐temperature solution methods  [21].  In  the  first  step,  Cu2O  layer was  cathodically  deposited  on  a  fluorine‐doped  tin  oxide  (FTO)  substrate using an aqueous solution containing 0.02  M  copper  sulfate  and  0.4  M  lactic  acid  that  was  adjusted to pH 12.5 with 1 M sodium hydroxide [12].  The  electrochemical  deposition  was  carried  out  potentiostatically  at  ‐0.45  V  with  the  temperature  kept  at  313  K,  the  deposition  time  w