Abstract

We examined the ultrafast dynamics of photocarriers in nanocrystalline ZnOxNy thin films as a function of compositional variation using femtosecond differential transmittance spectroscopy. The relaxation dynamics of photogenerated carriers and electronic structures are strongly dependent on nitrogen concentration. Photocarriers of ZnOxNy films relax on two different time scales. Ultrafast relaxation over several picoseconds is observed for all chemical compositions. However, ZnO and oxygen-rich phases show slow relaxation (longer than several nanoseconds), whereas photocarriers of films with high nitrogen concentrations relax completely on subnanosecond time scales. These relaxation features may provide a persistent photocurrent-free and prompt photoresponsivity for ZnOxNy with high nitrogen concentrations, as opposed to ZnO for display applications.

© 2014 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. X. B. Chen, S. H. Shen, L. J. Guo, and S. S. Mao, Chem. Rev. 110, 6503 (2010).
    [CrossRef]
  2. E. Fortunato, P. Barquinha, and R. Martins, Adv. Mater. 24, 2945 (2012).
    [CrossRef]
  3. H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).
  4. E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).
  5. N. Jiang, D. G. Georgiev, A. H. Jayatissa, R. W. Collins, J. Chen, and E. McCullen, J. Phys. D 45, 135101 (2012).
    [CrossRef]
  6. D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, J. E. Hoelscher, R. E. Sherriff, M. T. Harris, and M. J. Callahan, J. Appl. Phys. 88, 2152 (2000).
    [CrossRef]
  7. S. W. Jung, W. I. Park, H. D. Cheong, G.-C. Yi, H. M. Jang, S. Hong, and T. Joo, Appl. Phys. Lett. 80, 1924 (2002).
    [CrossRef]

2014 (1)

E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).

2013 (1)

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

2012 (2)

N. Jiang, D. G. Georgiev, A. H. Jayatissa, R. W. Collins, J. Chen, and E. McCullen, J. Phys. D 45, 135101 (2012).
[CrossRef]

E. Fortunato, P. Barquinha, and R. Martins, Adv. Mater. 24, 2945 (2012).
[CrossRef]

2010 (1)

X. B. Chen, S. H. Shen, L. J. Guo, and S. S. Mao, Chem. Rev. 110, 6503 (2010).
[CrossRef]

2002 (1)

S. W. Jung, W. I. Park, H. D. Cheong, G.-C. Yi, H. M. Jang, S. Hong, and T. Joo, Appl. Phys. Lett. 80, 1924 (2002).
[CrossRef]

2000 (1)

D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, J. E. Hoelscher, R. E. Sherriff, M. T. Harris, and M. J. Callahan, J. Appl. Phys. 88, 2152 (2000).
[CrossRef]

Barquinha, P.

E. Fortunato, P. Barquinha, and R. Martins, Adv. Mater. 24, 2945 (2012).
[CrossRef]

Benayad, A.

E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).

Callahan, M. J.

D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, J. E. Hoelscher, R. E. Sherriff, M. T. Harris, and M. J. Callahan, J. Appl. Phys. 88, 2152 (2000).
[CrossRef]

Chen, J.

N. Jiang, D. G. Georgiev, A. H. Jayatissa, R. W. Collins, J. Chen, and E. McCullen, J. Phys. D 45, 135101 (2012).
[CrossRef]

Chen, X. B.

X. B. Chen, S. H. Shen, L. J. Guo, and S. S. Mao, Chem. Rev. 110, 6503 (2010).
[CrossRef]

Cheong, H. D.

S. W. Jung, W. I. Park, H. D. Cheong, G.-C. Yi, H. M. Jang, S. Hong, and T. Joo, Appl. Phys. Lett. 80, 1924 (2002).
[CrossRef]

Chung, J. G.

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Collins, R. W.

N. Jiang, D. G. Georgiev, A. H. Jayatissa, R. W. Collins, J. Chen, and E. McCullen, J. Phys. D 45, 135101 (2012).
[CrossRef]

Fortunato, E.

E. Fortunato, P. Barquinha, and R. Martins, Adv. Mater. 24, 2945 (2012).
[CrossRef]

Georgiev, D. G.

N. Jiang, D. G. Georgiev, A. H. Jayatissa, R. W. Collins, J. Chen, and E. McCullen, J. Phys. D 45, 135101 (2012).
[CrossRef]

Guo, L. J.

X. B. Chen, S. H. Shen, L. J. Guo, and S. S. Mao, Chem. Rev. 110, 6503 (2010).
[CrossRef]

Han, S.

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Harris, M. T.

D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, J. E. Hoelscher, R. E. Sherriff, M. T. Harris, and M. J. Callahan, J. Appl. Phys. 88, 2152 (2000).
[CrossRef]

Hoelscher, J. E.

D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, J. E. Hoelscher, R. E. Sherriff, M. T. Harris, and M. J. Callahan, J. Appl. Phys. 88, 2152 (2000).
[CrossRef]

Hong, S.

S. W. Jung, W. I. Park, H. D. Cheong, G.-C. Yi, H. M. Jang, S. Hong, and T. Joo, Appl. Phys. Lett. 80, 1924 (2002).
[CrossRef]

Jang, H. M.

S. W. Jung, W. I. Park, H. D. Cheong, G.-C. Yi, H. M. Jang, S. Hong, and T. Joo, Appl. Phys. Lett. 80, 1924 (2002).
[CrossRef]

Jayatissa, A. H.

N. Jiang, D. G. Georgiev, A. H. Jayatissa, R. W. Collins, J. Chen, and E. McCullen, J. Phys. D 45, 135101 (2012).
[CrossRef]

Jeon, S.

E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).

Jeon, S. H.

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Jiang, N.

N. Jiang, D. G. Georgiev, A. H. Jayatissa, R. W. Collins, J. Chen, and E. McCullen, J. Phys. D 45, 135101 (2012).
[CrossRef]

Jogai, B.

D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, J. E. Hoelscher, R. E. Sherriff, M. T. Harris, and M. J. Callahan, J. Appl. Phys. 88, 2152 (2000).
[CrossRef]

Joo, T.

S. W. Jung, W. I. Park, H. D. Cheong, G.-C. Yi, H. M. Jang, S. Hong, and T. Joo, Appl. Phys. Lett. 80, 1924 (2002).
[CrossRef]

Jung, S. W.

S. W. Jung, W. I. Park, H. D. Cheong, G.-C. Yi, H. M. Jang, S. Hong, and T. Joo, Appl. Phys. Lett. 80, 1924 (2002).
[CrossRef]

Kim, H.-S.

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Kim, K.

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Kim, S.-J.

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Kim, T. S.

E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Ko, D.-S.

E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).

Lee, E.

E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Lee, H.

E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Lee, S. Y.

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Look, D. C.

D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, J. E. Hoelscher, R. E. Sherriff, M. T. Harris, and M. J. Callahan, J. Appl. Phys. 88, 2152 (2000).
[CrossRef]

Mao, S. S.

X. B. Chen, S. H. Shen, L. J. Guo, and S. S. Mao, Chem. Rev. 110, 6503 (2010).
[CrossRef]

Martins, R.

E. Fortunato, P. Barquinha, and R. Martins, Adv. Mater. 24, 2945 (2012).
[CrossRef]

McCullen, E.

N. Jiang, D. G. Georgiev, A. H. Jayatissa, R. W. Collins, J. Chen, and E. McCullen, J. Phys. D 45, 135101 (2012).
[CrossRef]

Park, G.-S.

E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).

Park, J. S.

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Park, W. I.

S. W. Jung, W. I. Park, H. D. Cheong, G.-C. Yi, H. M. Jang, S. Hong, and T. Joo, Appl. Phys. Lett. 80, 1924 (2002).
[CrossRef]

Reynolds, D. C.

D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, J. E. Hoelscher, R. E. Sherriff, M. T. Harris, and M. J. Callahan, J. Appl. Phys. 88, 2152 (2000).
[CrossRef]

Ryu, M.

E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Seo, S.-J.

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Seon, J.-B.

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Shen, S. H.

X. B. Chen, S. H. Shen, L. J. Guo, and S. S. Mao, Chem. Rev. 110, 6503 (2010).
[CrossRef]

Sherriff, R. E.

D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, J. E. Hoelscher, R. E. Sherriff, M. T. Harris, and M. J. Callahan, J. Appl. Phys. 88, 2152 (2000).
[CrossRef]

Shin, T.

E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).

Son, K. S.

E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

Yi, G.-C.

S. W. Jung, W. I. Park, H. D. Cheong, G.-C. Yi, H. M. Jang, S. Hong, and T. Joo, Appl. Phys. Lett. 80, 1924 (2002).
[CrossRef]

Adv. Mater. (1)

E. Fortunato, P. Barquinha, and R. Martins, Adv. Mater. 24, 2945 (2012).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

S. W. Jung, W. I. Park, H. D. Cheong, G.-C. Yi, H. M. Jang, S. Hong, and T. Joo, Appl. Phys. Lett. 80, 1924 (2002).
[CrossRef]

Chem. Rev. (1)

X. B. Chen, S. H. Shen, L. J. Guo, and S. S. Mao, Chem. Rev. 110, 6503 (2010).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, J. E. Hoelscher, R. E. Sherriff, M. T. Harris, and M. J. Callahan, J. Appl. Phys. 88, 2152 (2000).
[CrossRef]

J. Phys. D (1)

N. Jiang, D. G. Georgiev, A. H. Jayatissa, R. W. Collins, J. Chen, and E. McCullen, J. Phys. D 45, 135101 (2012).
[CrossRef]

Sci. Rep. (2)

H.-S. Kim, S. H. Jeon, J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, J.-B. Seon, S.-J. Seo, S.-J. Kim, E. Lee, J. G. Chung, H. Lee, S. Han, M. Ryu, S. Y. Lee, and K. Kim, Sci. Rep. 3, 1459 (2013).

E. Lee, A. Benayad, T. Shin, H. Lee, D.-S. Ko, T. S. Kim, K. S. Son, M. Ryu, S. Jeon, and G.-S. Park, Sci. Rep. 4, 4948 (2014).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1.

Differential transmittance spectra of ZnOxNy thin films obtained at 2 ps after photoexcitation. Each spectrum was normalized by its maximum intensity. Wavelength and energy of an excitation laser pulse for all samples (except for Zn3N2) were 360 nm and 700 nJ, respectively. For Zn3N2, they were 400 nm and 100 nJ, respectively.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Time-dependent transmittance change at peak wavelengths. They were normalized by their maximum values at t=0, and the y axis was truncated at 0.4. Inset shows the fast decay of the time-dependent signal up to 100 ps. (b) Fitting with multiple exponential functions for ZnO and Zn3N2 films.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Excitation-dependent differential transmittance changes at a wavelength of 725 nm and fitted curves for the ZnO0.51N0.49 film. Energies of an excitation laser pulse at 360 nm are listed. Inset shows the maximum amplitude of the change at t=0. (b) Time constants and (c) relative amplitudes obtained by fitting with a biexponential function. Slower time constants of τ2 were rescaled by dividing by a factor of 10 for ease of comparison.

Metrics