氧化锌纳米线/褶皱二硒化铂薄膜异质结构用于高灵敏度紫外光电探测器

《Optical Materials》：ZnO nanowire/wrinkled PtSe 2 film heterostructure for high-sensitivity ultraviolet photodetectors

　　

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  提出了一种在起皱的PtSe₂基底上集成垂直排列的ZnO纳米线的策略
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  褶皱通过多角度散射增强了紫外光的捕获
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  界面保形接触优化了电荷传输并抑制了陷阱和噪声
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  优异的设备性能；PtSe₂褶皱提供了一种提高探测性的通用方法

引言

氧化锌 (ZnO) 纳米线因其宽带隙、大比表面积和有利的载流子传输特性，被认为是紫外光电探测器的有希望的候选材料 [1], [2], [3], [4]。人们投入了大量努力，通过多种改性策略来提升基于ZnO的光电探测器性能，包括构建异质结 [5], [6], [7]、引入金属纳米颗粒以实现局域表面等离子体共振 [8], [9], [10]，以及抑制表面能带弯曲 [11], [12]。这些方法主要集中在促进光生载流子的分离和传输，以改善器件响应。尽管如此，提高入射紫外光的吸收效率仍然是进一步提升ZnO光电探测器整体性能的另一个关键且不可忽视的方面 [13], [14]，这仍值得更深入探索。

光电探测器中增强光捕获的探索受到了“黑硅”范式的强烈启发，该范式通过纹理化或粗糙化表面显著降低反射率，并通过多次散射延长有效吸收路径 [15], [16], [17], [18]。与平坦基底相比，微/纳米结构界面提供了一种可扩展的途径，在不改变活性材料本征带隙的情况下提升光密度 [19], [20], [21], [22]。在之前的工作中，我们发现了一种独特的起皱PtSe₂薄膜，该薄膜通过退火后处理自发形成，诱导了应力释放起皱。这种褶皱形貌不仅提供了一个具有高表面积并在紫外-可见-近红外 (UV-vis-NIR) 范围内具有显著光散射能力的支架，还赋予了表面固有的疏水性。尽管起皱或褶皱薄膜已在柔性电子学和应变传感器中得到研究 [23], [24], [25], [26], [27], [28]，但据我们所知，作为半导体纳米线生长的光学聚焦器和界面电荷转移介质的双重作用尚未得到系统研究。关键问题在于，这样的褶皱平台是否能同时解决ZnO纳米线光电探测器中的三个长期存在的挑战：光吸收不足、载流子快速复合以及表面态引起的噪声。

在这项工作中，我们采用起皱的PtSe₂薄膜作为光捕获基底来生长ZnO纳米线阵列。首先在起皱的PtSe₂上沉积原子层沉积的ZnO种子层，然后通过水热法进一步合成垂直排列的ZnO纳米线。使用多种表征方法，包括扫描电子显微镜 (SEM)、X射线衍射 (XRD) 和光学光谱，证实成功制备了具有增强光吸收能力的复合结构。得益于微褶皱PtSe₂基底的光捕获特性，上层生长的ZnO纳米线实现了显著改善的紫外光吸收。因此，组装的异质结构光电探测器表现出优异的紫外探测性能，实现了高达 0.46 A W^-1 的响应度 (R)、1.03×10¹³ Jones 的比探测率 (D*)，以及超过 240% 的外量子效率 (EQE)。这项工作表明，利用起皱的PtSe₂作为光管理基底是增强光收集并进一步提升宽带隙半导体纳米线光电探测器光电性能的有效策略。

章节摘要

ZnO纳米线的合成

采用结合原子层沉积（ALD）和水热法的两步策略合成了ZnO纳米线 [29], [30]。选择起皱的PtSe₂基底作为纳米线的生长基底，并使用高温硒化法进行制备。使用原子层沉积系统将ZnO种子层沉积在褶皱基底上。此外，将0.01 M醋酸锌和0.01 M六亚甲基四胺溶解于水中，然后将混合溶液转移到50

结果与讨论

在本研究中，我们采用结合原子层沉积（ALD）和水热法的两步策略在PtSe₂起皱基底上合成了ZnO纳米线（如图1a所示）。首先通过ALD在PtSe₂起皱基底上沉积ZnO种子层，随后进行水热处理形成ZnO纳米线。SEM图像显示了PtSe₂起皱基底及其表面生长的ZnO纳米线的形貌。起皱基底上的PtSe₂薄膜表现出一种

结论

总之，在退火硒化过程中形成的应力释放起皱PtSe₂薄膜基底上成功生长了垂直的ZnO纳米线阵列。这种褶皱形貌不仅增加了比表面积，还产生了多角度光散射，从而增强了上层ZnO纳米线的紫外吸收能力。异质界面的保形接触促进了电荷传输并抑制了光生载流子复合，同时

CRediT作者贡献声明

Hongbin Zhao：资源，调查。 Haixi Zhang：监督。 Xuesong Miao：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念化。 Kaixi Shi：资源，调查。 Jinhua Li：监督，资源。 Hao Yan：资源。 Xueying Chu：调查。 Dan Fang：监督。 Haiyan Tao：资源，方法论。 Dengkui Wang：监督，方法论。 Xuan Fang：撰写 – 审阅与编辑，

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（62275032）、吉林省科技发展计划项目（20240101294JC）和长春市科技计划（25GNYZ09）的支持。

Xuesong Miao|Xiaohua Wang|Yong Wang|Haiyan Tao|Dengkui Wang|Dan Fang|Hao Yan|Xueying Chu|Kaixi Shi|Jinhua Li|Hongbin Zhao|Haixi Zhang|Xuan Fang