Annealing effect on UV detection properties of ZnO:Al structures

Abstract

The aim of this study was to develop low-powered, highly selective UV sensor to continuously monitor personalized UV exposure as well as to study annealing effect on UV detection properties of the sensors. ZnO:Al structures were obtained by chemical growth method followed by thermal annealing at 625 °C for 2 h. The studied samples exhibit maximal UV response of 620/488 at 25 °C/50 °C to 370 nm UV radiation before/after annealing, respectively. Thermal annealing of sensor (250 °C for 1 h) led to improvement in fall time from 3860 seconds to 262 seconds at 25 °C and highest responsivity (~48 mA/W) came out for 370 nm wavelength at 75 °C operating temperatures. Consequently, excellent selectivity for 370 nm UV illumination can be ascribed as due to thermal annealing effect which increases the crystallinity, grain size, and roughness of the sensing film. The PL measurements reveals the suppression of structural defects, increase in intensity after annealing and enhanced UV response due to presence of Al content in films. Overall, these structures showed magnificent UV properties, before and especially after additional thermal annealing. UV sensing mechanism of such nanomaterial-based sensor were explained with physio-chemical processes take place on the surface of these structures. The obtained results on annealed ZnO:Al films-based devices is superior to reported performances of other nanostructures, proving new results for UV sensing applications at different operating temperatures in various fields.

Scopul acestui studiu a fost de a dezvolta un senzor UV de putere redusă, foarte selectiv, pentru a monitoriza continuu expunerea personalizată la UV, precum și pentru a studia efectul de recoacere asupra proprietăților de detectare UV a senzorilor. Structurile ZnO:Al au fost obținute prin metoda de creștere chimică urmată de recoacere termică la 625°C timp de 2 ore. Probele studiate prezintă un răspuns UV maxim de 620/488 la 25 °C/50 °C până la 370 nm radiații UV înainte/după recoacere, respectiv. Recoacere termică a senzorului (250 °C timp de 1 oră) a condus la îmbunătățirea timpului de cădere de la 3860 de secunde la 262 de secunde la 25 °C și cea mai mare capacitate de răspuns (~48 mA/W) a rezultat pentru o lungime de undă de 370 nm la temperaturi de funcționare de 75 °C. În consecință, selectivitatea excelentă pentru iluminarea UV de 370 nm poate fi atribuită ca fiind datorată efectului de recoacere termică care crește cristalinitatea, dimensiunea granulelor și rugozitatea filmului de detectare. Măsurătorile PL relevă suprimarea defectelor structurale, creșterea intensității după recoacere și răspunsul UV îmbunătățit datorită prezenței conținutului de Al în pelicule. În general, aceste structuri au arătat proprietăți UV magnifice, înainte și mai ales după recoacere termică suplimentară. Mecanismul de detectare UV al unui astfel de senzor pe bază de nanomateriale a of st explicat cu procesele fizico-chimice care au loc pe suprafața acestor structuri. Rezultatele obținute pe dispozitivele pe bază de filme recoapte ZnO:Al sunt superioare performanțelor raportate ale altor nanostructuri, dovedind rezultate noi pentru aplicațiile de detectare UV la diferite temperaturi de funcționare în diferite domenii.