Published September 1, 2015
| Version v1
Publication
Open
Polar-surface-driven growth of ZnS microsprings with novel optoelectronic properties
Creators
- 1. Huazhong University of Science and Technology
- 2. Beijing National Laboratory for Molecular Sciences
- 3. Chinese Academy of Sciences
- 4. Peking University
Description
Small perturbations during the growth kinetics of low-dimensional semiconductor structures may lead to novel features, which may provide an ideal system for understanding the fundamental physics of optical phenomena in optoelectronics devices. In this study, we report deformation-free single-crystal zinc sulfide (ZnS) microsprings produced by a polar-surface-driven growth process, and we thoroughly investigate the electrical characteristics of individual ZnS microsprings under electron beam irradiation and their initial applications in ultraviolet (UV) light sensors and waveguides. The microsprings produced are formed by a block-by-block stacking process following a hexagonal screw model that does not introduce distortion into the crystal lattices. The first photodetectors designed based on a single ZnS microspring exhibit a high spectral selectivity combined with a high photosensitivity and a fast response time (<0.3 s) under 320-nm illumination, which make ZnS microsprings particularly valuable as UV-light sensors. Concurrently, excellent waveguide performance along the fiber of a single ZnS microspring (for example, ~0.13 dB μm−1 at 450 nm, and ~0.17 dB μm−1 at 520 nm) is demonstrated for the first time. The high crystal quality, the fast response to UV light and the low propagation loss exhibited by ZnS microsprings indicate that they have important potential applications in nano-optoelectronic systems. High-quality, single-crystal ZnS microsprings have been made and found to have fast responses to ultraviolet light and low propagation loss. The optoelectronic properties of one-dimensional semiconductor structures such as nanowires can be modified by bending them. Now, Tianyou Zhai and colleagues in China have grown deformation-free, single-crystal ZnS microsprings by vapor deposition involving a polar-surface-driven process. They examined the optoelectronic properties of the microsprings and found that irradiation by a high-energy electron beam increases the gain while electron-electron interactions suppress the conductivity. The researchers fabricated photodetectors based on single ZnS microsprings, which exhibited a high photosensitivity and a fast response time to ultraviolet illumination. Furthermore, the microsprings had an excellent waveguide performance. These properties make ZnS microsprings promising for components for future micro/nano-optoelectronic systems. Herein, we reported deformation-free single crystal ZnS microsprings produced by the polar-surface-driven growth process with novel optoelectronic properties for the first time. The entire spring is synthesized by a block-by-block stacking process following a hexagonal screw model, without introducing distortion in crystal lattices. The electrical characteristics of individual ZnS microsprings under electron beam irradiation and their potential applications in UV light sensor and waveguides were thoroughly investigated. The high crystal quality, fast response to UV light and the low propagation loss indicate ZnS microsprings will have important applications in future optoelectronic systems.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
قد تؤدي الاضطرابات الصغيرة أثناء حركية نمو هياكل أشباه الموصلات منخفضة الأبعاد إلى ميزات جديدة، والتي قد توفر نظامًا مثاليًا لفهم الفيزياء الأساسية للظواهر البصرية في أجهزة الإلكترونيات الضوئية. في هذه الدراسة، نبلغ عن نوابض دقيقة خالية من التشوه من كبريتيد الزنك أحادي البلورة (ZnS) تنتجها عملية نمو مدفوعة بالسطح القطبي، ونحقق بدقة في الخصائص الكهربائية للنوابض الدقيقة الفردية من الزنك تحت إشعاع شعاع الإلكترون وتطبيقاتها الأولية في أجهزة استشعار الضوء فوق البنفسجي وموجهات الموجات. يتم تشكيل النوابض الدقيقة الناتجة من خلال عملية تكديس كتلة تلو الأخرى باتباع نموذج لولبي سداسي لا يؤدي إلى حدوث تشوه في الشبكات البلورية. تُظهر الكاشفات الضوئية الأولى المصممة على أساس نوابض زنك دقيقة واحدة انتقائية طيفية عالية جنبًا إلى جنب مع حساسية ضوئية عالية وزمن استجابة سريع (<0.3 ثانية) تحت إضاءة 320 نانومتر، مما يجعل نوابض زنك الدقيقة ذات قيمة خاصة كمستشعرات للأشعة فوق البنفسجية. في الوقت نفسه، يتم عرض أداء موجه الموجة الممتاز على طول ألياف نوابض ZnS الدقيقة (على سبيل المثال، ~0.13 ديسيبل ميكرومتر-1 عند 450 نانومتر، و ~0.17 ديسيبل ميكرومتر-1 عند 520 نانومتر) لأول مرة. تشير جودة الكريستال العالية والاستجابة السريعة لضوء الأشعة فوق البنفسجية وفقدان الانتشار المنخفض الذي تظهره النوابض الدقيقة ZnS إلى أن لها تطبيقات محتملة مهمة في الأنظمة الإلكترونية الضوئية النانوية. تم صنع نوابض زنك أحادية البلورة عالية الجودة ووجد أن لها استجابات سريعة للضوء فوق البنفسجي وفقدان انتشار منخفض. يمكن تعديل الخصائص الإلكترونية الضوئية للهياكل شبه الموصلة أحادية البعد مثل الأسلاك النانوية عن طريق ثنيها. الآن، نما تيانيو تشاي وزملاؤه في الصين نوابض صغيرة ZnS أحادية البلورة خالية من التشوه عن طريق ترسيب البخار الذي ينطوي على عملية مدفوعة بالسطح القطبي. قاموا بفحص الخصائص الإلكترونية البصرية للينابيع الدقيقة ووجدوا أن التشعيع بواسطة شعاع إلكتروني عالي الطاقة يزيد من الكسب بينما تعمل تفاعلات الإلكترون والإلكترون على كبت الموصلية. قام الباحثون بتصنيع كاشفات ضوئية تعتمد على نوابض صغيرة من نوع ZnS، والتي أظهرت حساسية عالية للضوء ووقت استجابة سريع للإضاءة فوق البنفسجية. علاوة على ذلك، كان للينابيع الدقيقة أداء موجه موجات ممتاز. هذه الخصائص تجعل الينابيع الدقيقة ZnS واعدة لمكونات الأنظمة الإلكترونية الدقيقة/النانوية المستقبلية. هنا، أبلغنا عن نوابض زنك أحادية الكريستال خالية من التشوه تنتجها عملية النمو المدفوعة بالسطح القطبي مع خصائص إلكترونية بصرية جديدة لأول مرة. يتم تصنيع الزنبرك بأكمله من خلال عملية تكديس كتلة تلو الأخرى باتباع نموذج لولبي سداسي، دون إدخال تشوه في الشبكات البلورية. تم فحص الخصائص الكهربائية للينابيع الدقيقة ZnS الفردية تحت تشعيع شعاع الإلكترون وتطبيقاتها المحتملة في مستشعر ضوء الأشعة فوق البنفسجية وموجهات الموجة بدقة. تشير جودة الكريستال العالية والاستجابة السريعة لضوء الأشعة فوق البنفسجية وفقدان الانتشار المنخفض إلى أن الزنبركات الدقيقة ZnS سيكون لها تطبيقات مهمة في الأنظمة الإلكترونية الضوئية المستقبلية.Translated Description (French)
De petites perturbations au cours de la cinétique de croissance de structures semi-conductrices de faible dimension peuvent conduire à de nouvelles caractéristiques, qui peuvent fournir un système idéal pour comprendre la physique fondamentale des phénomènes optiques dans les dispositifs optoélectroniques. Dans cette étude, nous rapportons des micro-ressorts de sulfure de zinc monocristallin (ZnS) sans déformation produits par un processus de croissance entraîné par la surface polaire, et nous étudions en profondeur les caractéristiques électriques des micro-ressorts individuels ZnS sous irradiation par faisceau d'électrons et leurs applications initiales dans les capteurs de lumière ultraviolette (UV) et les guides d'ondes. Les micro-ressorts produits sont formés par un processus d'empilement bloc par bloc suivant un modèle de vis hexagonale qui n'introduit pas de distorsion dans les réseaux cristallins. Les premiers photodétecteurs conçus à base d'un seul micro-ressort ZnS présentent une sélectivité spectrale élevée combinée à une photosensibilité élevée et un temps de réponse rapide (<0,3 s) sous un éclairage de 320 nm, ce qui rend les micro-ressorts ZnS particulièrement intéressants en tant que capteurs de lumière UV. Simultanément, d'excellentes performances de guide d'ondes le long de la fibre d'un seul microressort ZnS (par exemple, ~0,13 dB μm−1 à 450 nm et ~0,17 dB μm−1 à 520 nm) sont démontrées pour la première fois. La qualité cristalline élevée, la réponse rapide à la lumière UV et la faible perte de propagation des microressorts ZnS indiquent qu'ils ont d'importantes applications potentielles dans les systèmes nano-optoélectroniques. Des microressorts ZnS monocristallins de haute qualité ont été fabriqués et se sont révélés avoir des réponses rapides à la lumière ultraviolette et une faible perte de propagation. Les propriétés optoélectroniques des structures semi-conductrices unidimensionnelles telles que les nanofils peuvent être modifiées en les pliant. Maintenant, Tianyou Zhai et ses collègues en Chine ont cultivé des micro-sorts ZnS monocristallins sans déformation par dépôt en phase vapeur impliquant un processus dirigé par la surface polaire. Ils ont examiné les propriétés optoélectroniques des micro-ressorts et ont constaté que l'irradiation par un faisceau d'électrons de haute énergie augmente le gain tandis que les interactions électron-électron suppriment la conductivité. Les chercheurs ont fabriqué des photodétecteurs à base de micro-ressorts ZnS uniques, qui présentaient une photosensibilité élevée et un temps de réponse rapide à l'éclairage ultraviolet. En outre, les micro-ressorts avaient une excellente performance de guide d'ondes. Ces propriétés font des micro-ressorts ZnS des composants prometteurs pour les futurs systèmes micro-/nano-optoélectroniques. Ici, nous avons rapporté pour la première fois des micro-ressorts ZnS monocristallins sans déformation produits par le processus de croissance entraîné par la surface polaire avec de nouvelles propriétés optoélectroniques. L'ensemble du ressort est synthétisé par un processus d'empilement bloc par bloc suivant un modèle de vis hexagonale, sans introduire de distorsion dans les réseaux cristallins. Les caractéristiques électriques des micro-ressorts individuels en ZnS sous irradiation par faisceau d'électrons et leurs applications potentielles dans les capteurs de lumière UV et les guides d'ondes ont été étudiées de manière approfondie. La qualité cristalline élevée, la réponse rapide à la lumière UV et la faible perte de propagation indiquent que les micro-ressorts ZnS auront des applications importantes dans les futurs systèmes optoélectroniques.Translated Description (Spanish)
Pequeñas perturbaciones durante la cinética de crecimiento de estructuras semiconductoras de baja dimensión pueden conducir a características novedosas, que pueden proporcionar un sistema ideal para comprender la física fundamental de los fenómenos ópticos en dispositivos optoelectrónicos. En este estudio, informamos sobre microprincipios de sulfuro de zinc monocristalino (ZnS) libres de deformación producidos por un proceso de crecimiento impulsado por la superficie polar, e investigamos a fondo las características eléctricas de los microprincipios de ZnS individuales bajo irradiación con haz de electrones y sus aplicaciones iniciales en sensores de luz ultravioleta (UV) y guías de onda. Los micromuelles producidos se forman mediante un proceso de apilamiento bloque a bloque siguiendo un modelo de tornillo hexagonal que no introduce distorsión en las redes cristalinas. Los primeros fotodetectores diseñados en base a un solo micro resorte ZnS exhiben una alta selectividad espectral combinada con una alta fotosensibilidad y un tiempo de respuesta rápido (<0.3 s) bajo iluminación de 320 nm, lo que hace que los micro resortes ZnS sean particularmente valiosos como sensores de luz UV. Al mismo tiempo, se demuestra por primera vez un excelente rendimiento de la guía de ondas a lo largo de la fibra de un solo micro resorte ZnS (por ejemplo, ~0.13 dB μm−1 a 450 nm y ~0.17 dB μm−1 a 520 nm). La alta calidad cristalina, la rápida respuesta a la luz UV y la baja pérdida de propagación exhibida por los micro muelles de ZnS indican que tienen importantes aplicaciones potenciales en sistemas nano-optoelectrónicos. Se han fabricado micromuelles de ZnS monocristalinos de alta calidad y se ha descubierto que tienen respuestas rápidas a la luz ultravioleta y baja pérdida de propagación. Las propiedades optoelectrónicas de las estructuras semiconductoras unidimensionales, como los nanohilos, se pueden modificar doblándolas. Ahora, Tianyou Zhai y sus colegas en China han desarrollado micromuelles de ZnS monocristalinos sin deformación mediante deposición de vapor que implica un proceso impulsado por la superficie polar. Examinaron las propiedades optoelectrónicas de los micro muelles y encontraron que la irradiación por un haz de electrones de alta energía aumenta la ganancia, mientras que las interacciones electrón-electrón suprimen la conductividad. Los investigadores fabricaron fotodetectores basados en micromuelles individuales de ZnS, que mostraron una alta fotosensibilidad y un tiempo de respuesta rápido a la iluminación ultravioleta. Además, los micro muelles tenían un excelente rendimiento de guía de ondas. Estas propiedades hacen que los micro muelles ZnS sean prometedores para los componentes de los futuros sistemas micro/nano-optoelectrónicos. En este documento, informamos por primera vez sobre micromuelles de ZnS monocristalinos sin deformación producidos por el proceso de crecimiento impulsado por la superficie polar con nuevas propiedades optoelectrónicas. Todo el resorte se sintetiza mediante un proceso de apilamiento bloque a bloque siguiendo un modelo de tornillo hexagonal, sin introducir distorsión en las redes cristalinas. Se investigaron a fondo las características eléctricas de los micromuelles de ZnS individuales bajo irradiación con haz de electrones y sus posibles aplicaciones en sensores de luz UV y guías de onda. La alta calidad cristalina, la rápida respuesta a la luz UV y la baja pérdida de propagación indican que los micro muelles de ZnS tendrán aplicaciones importantes en futuros sistemas optoelectrónicos.Files
am2015100.pdf.pdf
Files
(2.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:ca859df1d9ea0918490e8e6a5e377562
|
2.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- النمو المدفوع بالسطح القطبي للينابيع الدقيقة ZnS مع خصائص إلكترونية بصرية جديدة
- Translated title (French)
- Croissance entraînée par la surface polaire de micro-ressorts ZnS avec de nouvelles propriétés optoélectroniques
- Translated title (Spanish)
- Crecimiento impulsado por la superficie polar de micromuelles de ZnS con nuevas propiedades optoelectrónicas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W1630517801
- DOI
- 10.1038/am.2015.100
References
- https://openalex.org/W1984058823
- https://openalex.org/W2002175005
- https://openalex.org/W2021188278
- https://openalex.org/W2025938698
- https://openalex.org/W2026041661
- https://openalex.org/W2028340385
- https://openalex.org/W2030195727
- https://openalex.org/W2032668891
- https://openalex.org/W2037322033
- https://openalex.org/W2038690690
- https://openalex.org/W2042243397
- https://openalex.org/W2044916517
- https://openalex.org/W2045023774
- https://openalex.org/W2048371024
- https://openalex.org/W2048774202
- https://openalex.org/W2049288735
- https://openalex.org/W2054974441
- https://openalex.org/W2063468757
- https://openalex.org/W2066821813
- https://openalex.org/W2074742667
- https://openalex.org/W2078010004
- https://openalex.org/W2081104373
- https://openalex.org/W2082052569
- https://openalex.org/W2092541643
- https://openalex.org/W2109569732
- https://openalex.org/W2112860477
- https://openalex.org/W2119743355
- https://openalex.org/W2125113797
- https://openalex.org/W2125467930
- https://openalex.org/W2139678184
- https://openalex.org/W2143183645
- https://openalex.org/W2145093145
- https://openalex.org/W2145783178
- https://openalex.org/W2151706197
- https://openalex.org/W2154317235
- https://openalex.org/W2159550828
- https://openalex.org/W3098357225