外延生长二维锌纳米盘及其向三维氧化锌纳米结构的转化用于高性能紫外光电探测器

本研究通过改良分子束外延(MBE)技术合成外延六方锌纳米盘(NDs)，经温度/时间调控退火实现Zn向ZnO纳米结构的转化，获得具有高结晶质量和强紫外发射特性的三维纳米线网络。所制备的光电探测器展现出低暗电流(9.67×10?9 A)、高开关比(~102)及快速响应(651 ms)，为功能器件开发提供了新型纳米材料制备策略。

　　

在功能材料研究领域，金属氧化物纳米结构因其独特的物理化学性质备受关注。其中，氧化锌(ZnO)作为典型的宽禁带半导体(带隙3.34 eV)，具有优异的电子迁移率(115–155 cm²·V^?1·s^?1)和高达60 meV的激子结合能，在光电器件领域展现出巨大潜力。然而，传统制备方法如化学气相沉积(CVD)、磁控溅射等存在工艺复杂、成本高等问题，且对三维(3D)纳米结构的形貌控制仍具挑战。更关键的是，现有研究多基于薄膜或箔片基底，对纳米尺度材料的氧化机制认识不足，制约了高性能器件的开发。

针对这些问题，米特拉吉科学技术研究院的研究团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表研究，通过改良分子束外延(MBE)系统在SiO₂/Si(100)基底上外延生长二维(2D)六方锌纳米盘(NDs)，并系统研究其在不同退火条件下向3D ZnO纳米结构的转化规律。研究发现300°C即可引发Zn-ZnO相变，形成独特的"甜甜圈"形貌纳米线网络。基于此结构构建的紫外光电探测器表现出nA级暗电流和10²量级的开关比，响应速度达651 ms，为纳米结构可控生长及器件集成提供了新思路。

关键技术包括：改良MBE系统制备外延Zn NDs（基底温度25°C，锌源420°C）；程序控温氧化炉进行300–600°C梯度退火；X射线衍射(XRD)和拉曼光谱表征晶体结构；紫外-可见光谱分析光学特性；光刻工艺制备平面型器件。

结果与讨论

1. 结构演变：XRD显示300°C退火样品同时存在Zn(002)和ZnO(101)衍射峰，证实相变起始温度；600°C时Zn特征峰完全消失，出现ZnO(002)择优取向。拉曼光谱在437 cm^?1处出现ZnO特征E₂模式，证实结晶质量提升。

2. 形貌调控：扫描电镜(SEM)揭示低温退火形成核壳结构，高温下演变为直径50–100 nm的纳米线环绕ZnO晶粒，比表面积显著增加。

3. 光电性能：器件在375 nm光照下获得4×10^?7 A光电流，响应度与量子效率分别达0.12 A/W和40%，归因于纳米线网络的载流子快速传输通道。

结论与意义
该研究首次实现2D Zn NDs向3D ZnO纳米结构的可控转化，突破传统氧化温度限制(400–1000°C)，将相变阈值降至300°C。提出的"低温外延生长-定向氧化"策略不仅深化了对纳米材料氧化动力学的理解，更通过构建分级纳米结构显著提升器件性能。特别值得注意的是，外延特性赋予材料优异的载流子迁移能力，使响应速度优于多数溶液法制备的ZnO器件。这项工作为开发低成本、高性能紫外探测器提供了新材料体系，同时为其他金属氧化物纳米结构的可控制备提供了普适性方法。研究获得印度安得拉邦MITS研发中心种子基金支持，相关技术已申请专利保护。