Design and fabrication of photodetectors on porous silicon substrates based on ZnO and carbon quantum dots
| datacite.contributor.RelatedPerson | Καϊδατζής, Ανδρέας | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Καραχάλιου, Παναγιώτα | |
| datacite.contributor.Supervisor | Τσάμης, Χρήστος | |
| dc.contributor.author | Γανωτής, Νικόλαος | |
| dc.contributor.other | Ganotis, Nikolaos | |
| dc.date.accessioned | 2026-07-20T05:53:15Z | |
| dc.date.available | 2026-07-20T05:53:15Z | |
| dc.date.issued | 2026-07-18 | |
| dc.degree | masterThesis | |
| dc.description.abstract | The subject of this thesis is the design, fabrication and characterization of photodetectors based on Zinc Oxide (ZnO) nanostructures. The ZnO nanostructures were synthesized using the hydrothermal method on a silicon substrate as well as on Porous Silicon (Porous Si), while Carbon Dots (CDs) were deposited using the spin-coating technique. These three materials were utilized due to their absorption in different spectral regions. To this end, the materials were selectively synthesized under different conditions and characterized optically using photoluminescence (PL) measurements and structurally by performing SEM measurements. Through the appropriate design of schematic layouts using microelectronic techniques, the photodetector device was integrated by using Photolithography. The device was characterized by performing Current-Voltage (I-V) and Photocurrent measurements and the time and electrical response were studied upon irradiation with different light sources. Photoluminescence measurements confirmed the characteristic dual emission of the ZnO films, comprising a near-band-edge ultraviolet peak and a broad deep-level emission centered near 550 nm, the latter attributed to oxygen vacancy defects that were deliberately exploited as the basis for visible-light sensitivity. Electrical characterization showed that the pristine ZnO device exhibited ohmic, ultraviolet-only behavior, whereas all carbon-dot-modified devices displayed rectifying current-voltage characteristics, demonstrating that the active junction is formed at the carbon-dot/ZnO interface rather than at the metal contacts. The hybrid devices achieved a filterless broadband response extending continuously from the ultraviolet through the visible and into the near-infrared. Among the three fabricated devices, the one employing spin-coated nitrogen- and phosphorus-co-doped carbon dots gave the best performance, reaching a peak responsivity of approximately 3.8 A/W together with the lowest dark current of the series (on the order of 10⁻¹⁰ A near zero bias) and a shot-noise-limited specific detectivity of about 1.75 × 10¹⁴ Jones at zero bias. Several devices produced a measurable photocurrent under zero applied bias, confirming self-powered operation driven by the built-in field at the carbon-dot/ZnO interface. Overall, the results establish that a carbon-dot-sensitized ZnO film integrated into an interdigitated metal-semiconductor-metal geometry yields a low-cost, eco-friendly, filterless broadband visible photodetector with self-powered capability. | |
| dc.description.translatedabstract | Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο τη σχεδίαση, την κατασκευή και τον χαρακτηρισμό φωτοανιχνευτών βασισμένων σε νανοδομές Οξειδίου του Ψευδαργύρου ZnO. Η ανάπτυξη των νανοδομών ZnO έγινε με την υδροθερμική μέθοδο πάνω σε υπόστρωμα πυριτίου καθώς και σε πορώδους πυριτίου (Porous Si) ενώ με την χρήση της τεχνικής Spin Coating εναποτέθηκαν Νανοτελείες Άνθρακα (Carbon Dots - CDs). Η αξιοποίηση των τριών αυτών υλικών έγινε λόγω της απορρόφησής τους σε διαφορετικές φασματικές περιοχές,. Για το σκοπό αυτό, έγινε επιλεκτική ανάπτυξη των υλικών με διαφορετικές συνθήκες και ακολούθησε οπτικός χαρακτηρισμός με μετρήσεις Φωτοφωταύγειας (PL) και δομικός χαρακτηρισμός με μετρήσεις SEM. Με την κατάλληλη σχεδίαση σχηματικών διατάξεων χρησιμοποιώντας τεχνικές μικροηλεκτρονικής, επιτεύχθηκε η ολοκλήρωση της συσκευής ως φωτοανιχνευτής σε υπόστρωμα πυριτίου χρησιμοποιώντας την τεχνική της φωτολιθογραφίας, έγινε ηλεκτρικός χαρακτηρισμός με μετρήσεις Έντασης-Τάσης (I-V) και Φωτορεύματος και μελετήθηκε η ηλεκτρική και χρονική απόκριση των διατάξεων κατά την ακτινοβόλησή τους με διαφορετικές φωτεινές πηγές. Οι μετρήσεις φωτοφωταύγειας επιβεβαίωσαν τη χαρακτηριστική διπλή εκπομπή των υμενίων ZnO, η οποία περιλαμβάνει μια κορυφή υπεριώδους ακτινοβολίας κοντά στην άκρη της ζώνης και μια ευρεία εκπομπή βαθέως επιπέδου με κέντρο κοντά στα 550 nm, η οποία αποδίδεται σε ατέλειες κενών θέσεων οξυγόνου που αξιοποιήθηκαν σκόπιμα ως βάση για την ευαισθησία στο ορατό φως. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός έδειξε ότι η αρχική συσκευή ZnO παρουσίαζε ωμική συμπεριφορά αποκλειστικά στην υπεριώδη ακτινοβολία, ενώ όλες οι συσκευές που είχαν τροποποιηθεί με Νανοτελείες άνθρακα παρουσίαζαν χαρακτηριστικά ανορθωτικής συμπεριφοράς ρεύματος-τάσης, αποδεικνύοντας ότι η ενεργή σύνδεση σχηματίζεται στη διεπαφή νανοτελειών άνθρακα/ZnO και όχι στις μεταλλικές επαφές. Οι υβριδικές συσκευές πέτυχαν ευρυζωνική απόκριση χωρίς φίλτρο, η οποία εκτεινόταν από την υπεριώδη ακτινοβολία, μέσω του ορατού φάσματος, έως το εγγύς υπέρυθρο. Μεταξύ των τριών διατάξεων που κατασκευάστηκαν, η διάταξη με τις Νανοτελείες άνθρακα εμπλουτισμένες με άζωτο και φώσφορο, οι οποίες εφαρμόστηκαν με τη μέθοδο spin coating, παρουσίασε την καλύτερη απόδοση, φτάνοντας σε μέγιστη ευαισθησία περίπου 3,8 A/W, μαζί με το χαμηλότερο ρεύμα σκότους της σειράς (της τάξης των 10⁻¹⁰ A κοντά σε μηδενική πόλωση) και μια shot-noice-limited ειδική ανιχνευσιμότητα περίπου 1,75 × 10¹⁴ Jones σε μηδενική πόλωση. Αρκετές συσκευές παρήγαγαν μετρήσιμο φωτόρευμα υπό μηδενική εφαρμοζόμενη πόλωση, επιβεβαιώνοντας τη λειτουργία με αυτοτροφοδότηση που οφείλεται στο εσωτερικό πεδίο στη διεπαφή άνθρακα-ZnO. Συνολικά, τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι ένα υμένιο ZnO εμπλουτισμένο με Νανοτελείες άνθρακα, ενσωματωμένο σε γεωμετρία τύπου «metal-semiconductor-metal» με αλληλοδιαπλεκόμενα ηλεκτρόδια, αποδίδει έναν οικονομικά προσιτό, φιλικό προς το περιβάλλον, ευρυζωνικό φωτοανιχνευτή ορατού φάσματος χωρίς φίλτρο, με δυνατότητα αυτοτροφοδότησης. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/32616 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.subject | Zinc oxide (ZnO) | |
| dc.subject | Metal-semiconductor-metal photodetectors | |
| dc.subject | Photolithography | |
| dc.subject | Photoluminescense (PL) | |
| dc.subject | Carbon dots (CDs) | |
| dc.subject | Porous silicon (PSi) | |
| dc.subject.alternative | Οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) | |
| dc.subject.alternative | Φωτοανιχνευτές μετάλλου-ημιαγωγού-μετάλλου | |
| dc.subject.alternative | Φωτολιθογραφία | |
| dc.subject.alternative | Φωτοφωταύγεια (PL) | |
| dc.subject.alternative | Κβαντικές τελείες άνθρακα (CDs) | |
| dc.subject.alternative | Πορώδες πυρίτιο (PSi) | |
| dc.title | Design and fabrication of photodetectors on porous silicon substrates based on ZnO and carbon quantum dots | |
| dc.title.alternative | Σχεδιασμός και κατασκευή φωτοανιχνευτών σε υπόστρωμα πορώδους πυριτίου βασισμένων σε οξείδιο του ψευδαργύρου και κβαντικές τελείες άνθρακα |