混合Si/MoS?–PVA:CuO纳米纤维异质结的全面分析：实现紫外-可见-近红外区域的自供电光检测

《Journal of Alloys and Compounds》：Comprehensive Analysis of Hybrid Si/MoS 2–PVA:CuO Nanofiber Heterojunctions: Achieving Self-Powered Photodetection in UV-Vis-NIR region

CuO纳米颗粒经化学沉积与MoS?纳米片及PVA聚合物复合，通过电纺沉积制备MoS?-PVA:CuO@n-Si异质结器件，展现暗电流抑制比1.24×10?、590nm最佳光电响应3.53A/W及799%最高外量子效率。XRD、FTIR、EDS及FE-SEM确认材料结构，稳定性测试显示长期性能优异。

　　

Hamed Fayaz Rouhi|Fatma Y?ld?r?m|Samsoor Nuhzat|Hossein Mahmoudi Chenari|?akir Aydo?an

伊朗吉兰大学理学院物理系，Namjoo大道，邮政信箱41335-1914，Rasht

摘要

本文通过化学沉积法制备了CuO纳米颗粒，并将其与MoS₂纳米片和PVA聚合物结合，制备出一种复合材料。为确保MoS₂-PVA:CuO纳米纤维的完整性，进行了X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和能量色散X射线光谱（EDS）分析。通过将MoS₂-PVA:CuO复合材料电纺到n型硅晶片上，制备出了一种性能优异的整流器器件，其暗态整流比为1.24×10⁵。通过I-V测量详细研究了该光敏器件在白光强度变化以及8 mW/cm²的紫外光、红外光和黄光下的光电性能。在所有光源下，器件均表现出完美的光响应特性。具体而言，在590 nm和8 mW/cm²的条件下，器件的响应电流（R）、开启电压（D）和最大输出功率（NEP）分别为3.53 A/W、3.17 × 10¹³ Jones和1.73× 10^-15。在365 nm紫外光下，器件的外部量子效率（EQE）达到799%。即使在没有封装的情况下，经过24天和124天的时间依赖稳定性测试，器件仍表现出优异的稳定性。

引言

对高性能、低成本且长期稳定的光电探测器的需求一直是推动光电技术发展的主要动力之一[1]、[2]。近年来，新一代自驱动器件因无需外部电源即可产生光电流而受到了广泛关注[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。这一特性源于异质结结构中的内部电场，显著扩展了这些器件在低光成像、水下光通信和医学成像等领域的应用潜力[13]、[14]、[15]。

构建高效自驱动光电探测器的一个关键策略是基于有机-无机材料形成杂化异质结。这种结构结合了两种材料的优点，从而实现宽带性能、低成本和高效率[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。其中，二维（2D）材料因其独特的化学和物理性质而成为理想候选材料[21]。特别是二硫化钼（MoS?）作为过渡金属硫属化合物（TMDs）的一员，因其优异的电子和光学特性以及强光吸收能力而成为光子应用的理想选择[22]、[23]。

然而，要实现最佳性能，必须优化和提升MoS?的性能。本文提出了一种基于MoS?的创新自驱动异质结构建方法，利用了协同作用的纳米复合结构。在该设计中，MoS?纳米片与氧化铜（CuO）纳米颗粒和聚乙烯醇（PVA）结合[24]。CuO纳米颗粒的加入增强了光响应能力，因为它们具有优良的光学相互作用和良好的电学性能[25]、[26]；而PVA作为一种水溶性聚合物，不仅有助于形成均匀的薄膜，还在硅表面钝化及改善异质结界面质量方面起着关键作用[27]、[28]、[29]。这些先进材料是通过电纺技术合成的，该技术可精确控制纳米纤维的形态，确保MoS?、CuO和PVA的最佳结合[30]、[31]、[32]。因此，本研究首次制备了MoS?-PVA:CuO@Si异质结，并对其宽带光响应特性进行了深入研究。本文重点介绍了MoS?-PVA:CuO纳米纤维的合成、表征及其结构、形态和功能特性的分析，强调了它们在实现下一代自供电光电探测器方面的潜力。

材料与设备

聚乙烯醇（PVA，分子量72,000 g/mol）、块状MoS₂（前体）、纯度为99.8%的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、氯化铜（II）和氢氧化钠均购自Sigma-Aldrich公司。其他所有试剂均按原样使用，无需额外纯化。电纺过程使用Electroris eSpinner NF CO-N/VI系统进行，操作电压范围为1kV–35kV。纤维形态通过场发射显微镜进行观察

MoS₂-PVA:CuO纳米纤维的制备

如H. Fayaz Rouhi等人[33]所述，MoS₂纳米片是通过化学剥离和超声处理方法制备的。首先将块状MoS₂粉末分散在适当的溶剂二甲基甲酰胺（DMF）中以促进剥离，然后进行数小时超声处理以分离MoS₂层，形成多层纳米片。所得悬浮液经离心去除未剥离的物质

结果与讨论

使用X射线衍射（XRD）分析了MoS₂-PVA:CuO复合纳米纤维的结构特征，如图2 a所示。图中的下部展示了CuO纳米颗粒的XRD图谱，显示出单斜相氧化铜的特征峰。在2θ值为32.6°（110）、38.9°（111）、49.0°（202）、53.2°（020）、61.7°（113）、66.7°（311）和68.5°（220）处观察到的峰与JCPDS卡片编号65-5696相符，确认了

结论

通过化学沉积法制备CuO纳米颗粒，并将其与MoS₂纳米片和PVA聚合物结合，制备出MoS₂-PVA:CuO纳米纤维。通过XRD、FTIR、EDS和FE-SEM对纳米纤维进行了结构和形态分析。制备的器件不仅在暗态下具有高整流比，而且在可见光（Vis）、紫外光（365和395 nm）、红外光（850 nm）下也表现出优异的光响应

未引用参考文献

[43]; [74]

CRediT作者贡献声明

Hossein Mahmoudi Chenari：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，验证，监督，软件使用，项目管理，方法论，实验设计，数据管理。?akir Aydo?an：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，验证，监督，软件使用，项目管理，方法论，实验设计，数据分析。Samsoor Nuhzat：撰写 – 原稿，方法论，实验设计，数据管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果