Critical Interface States Controlling Rectification of Ultrathin NiO–ZnO p–n Heterojunctions

异质结 非阻塞I/O 材料科学 氧化物 X射线光电子能谱 氧化镍 带隙 带材弯曲 光电子学 纳米技术 化学工程 催化作用 化学 生物化学 工程类 冶金
作者
K. Xerxes Steirer,Kai Ou,Neal R. Armstrong,Erin L. Ratcliff
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:9 (36): 31111-31118 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsami.7b08899
摘要

Herein, we consider the heterojunction formation of two prototypical metal oxides: p-type NiO and n-type ZnO. Elementally abundant, low-cost metal oxide/oxide' heterojunctions are of interest for UV optical sensing, gas sensing, photocatalysis, charge confinement layers, piezoelectric nanogenerators, and flash memory devices. These heterojunctions can also be used as current rectifiers and potentially as recombination layers in tandem photovoltaic stacks by making the two oxide layers ultrathin. In the ultrathin geometry, understanding and control of interface electronic structure and chemical reactions at the oxide/oxide' interface are critical to functionality, as oxygen atoms are shared at the interface of the dissimilar materials. In the studies presented here the extent of chemical reactions and interface band bending is monitored using X-ray and ultraviolet photoelectron spectroscopies. Interface reactivity is controlled by varying the near surface composition of nickel oxide, nickel hydroxide, and nickel oxyhydroxide using standard surface-treatment procedures. A direct correlation between relative percentage of interface hydroxyl chemistry (and hence surface Lewis basicity) and the local band edge alignment for ultrathin p-n junctions (6 nm NiO/30 nm ZnO) is observed. We propose an acid-base formulism to explain these results: the stronger the acid-base reaction, the greater the fraction of interfacial electronic states which lower the band offset between the ZnO conduction band and the NiO valence band. Increased interfacial gap states result in larger reverse bias current of the p-n junction and lower rectification ratios. The acid-base formulism could serve as a future design principle for oxide/oxide' and other heterojunctions based on dissimilar materials.
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