基于SILAR沉积技术的CoS/ZnMgS异质结构光学传感器，适用于纸基衬底，可实现柔性、宽带的光电检测，并具有稳定的光电响应特性

《Optik》：SILAR-deposited CoS/ZnMgS heterostructure optical sensor on paper substrate for flexible, broadband photodetectors with stable photoresponse

柔性宽光谱CoS/ZnMgS异质结光电探测器基于低成本SILAR工艺成功制备于纤维素纸基底，XRD和SEM证实异质结结构及纳米表面形貌，UV-Vis吸收显示1.64 eV（CoS）和3.70 eV（ZnMgS）带隙，实现紫外-可见-近红外全波段响应，NIR响应达97.99 mA/W，响应/恢复时间均低于1.6秒，弯曲循环1100次后性能稳定。

　　

阿姆里坦格斯·森（Amritangsu Sen）| 苏什米·巴杜利卡（Sushmee Badhulika）

印度海得拉巴印度理工学院（Indian Institute of Technology – Hyderabad）电气工程系，卡迪（Kandi），桑加雷迪（Sangareddy），特伦甘纳邦（Telangana），印度

摘要

利用成本效益高的连续离子层吸附反应（Successive Ionic Layer Adsorption Reaction, SILAR）技术，在纤维素纸基底上成功制备了一种灵活的宽带CoS/ZnMgS异质结光电探测器，旨在用于光电子应用。XRD结构表征确认了六方CoS和六方-立方ZnMgS相的存在，而SEM分析显示CoS和ZnMgS具有均匀且定义明确的纳米结构。通过UV-Vis光谱学进行的光学吸收研究表明，该探测器具有宽带响应特性，CoS的光学带隙为1.64 eV，ZnMgS的光学带隙为3.70 eV，从而确保了在紫外（UV）、可见光（visible）和近红外（NIR）区域的有效光检测。性能评估显示，在NIR区域的响应度为97.99 mA/W，在可见光区域的响应度为2.23 mA/W，在UV区域的响应度为17.31 mA/W，同时具有快速的响应时间（NIR为1.41 s，可见光为1.55 s，UV为1.26 s）。CoS和ZnMgS之间错位的II型带对齐有助于分离电荷，从而抑制复合损失并提升器件性能。此外，该光电探测器具有优异的柔韧性，在经过1100次弯曲循环后仍能保持稳定运行，证明了其机械强度和柔韧性。凭借其宽带光学响应、高响应度、快速的时间响应特性以及在机械应力下的卓越稳定性，CoS/ZnMgS异质结光电探测器成为下一代光电子系统的有力候选者，特别是在柔性、可穿戴和便携式设备技术领域。

引言

高性能柔性光电探测器的进步由于其在生物医学成像、基于纸张的电子技术、安全监控和可穿戴技术等领域的广泛应用潜力而引起了广泛的研究兴趣[1]。尽管如此，许多现有器件仍受到响应度有限和光谱检测范围狭窄等问题的限制。为了克服这些挑战，研究人员专注于创新的材料设计策略和异质结工程，以实现更宽的检测窗口和更好的适应性[2][3]。目前正在积极探索诸如带隙调制、异质结构构建和界面电荷控制等技术，以提高器件效率[4]。然而，在单个光电探测器中同时实现更好的响应度、快速响应时间和机械柔韧性仍然是一个主要挑战[5]。

光电探测器通常可以分为两类：宽带（全色）光电探测器和窄带（单色）光电探测器。宽带光电探测器特别能够对广泛的波长范围表现出强烈的光响应。近年来，由于传统器件的灵敏度低和缺乏柔韧性，人们越来越关注开发灵活、成本效益高且高效的光电探测器[6][7]。为了克服这些挑战，提出了基于带隙工程、异质结构器件制备和界面工程等多种方法。其中，基于异质结的光电探测器尤为突出，因为它们能够结合具有不同电子和光电特性的半导体材料[8]，从而提高光吸收效率和电荷分离效果[9][10]。

过渡金属硫化物在光电探测器中越来越受欢迎，因为它们能够在保持化学稳定性的同时表现出强烈的光吸收能力和合适的带隙值[10]。在这方面，硫化钴（CoS）与其他过渡金属硫化物相比具有多个优势，尤其是在近红外区域的强吸收能力。将CoS与宽带隙半导体（如硫化锌镁（ZnMgS）结合，可以形成一种异质结，不仅扩展了光谱检测范围，还实现了有效的光载流子分离。这种协同作用显著提高了响应度、检测灵敏度和整体器件效率[11][12]。

在本研究中，采用连续离子层吸附反应（SILAR）方法制备了带隙约为1.64 eV的p型CoS和带隙约为3.70 eV的n型ZnMgS组成的宽带异质结光电探测器[13]。SILAR是一种成本效益高且低温下的薄膜沉积技术，非常适合在柔性基底上制备薄膜。SILAR过程的灵活性使得可以优化薄膜的厚度和组成，无需复杂设施即可制备高质量的异质结。所制备的CoS/ZnMgS宽带异质结光电探测器在结构、光学和电气性能方面进行了全面表征，重点关注了其在UV、可见光和NIR区域的宽带特性[14][15]。

研究结果突显了CoS/ZnMgS p-n异质结作为下一代宽带柔性光电探测器的强大潜力[16]。使用纤维素纸作为基底进一步增强了器件的机械强度和柔韧性，使其成为可穿戴、低成本和便携式光电子系统的有希望的候选者[17]。因此，这项工作为柔性及可穿戴技术中的先进光学传感和新兴应用开辟了新的机遇。

材料

六水合硝酸镁（Mg(NO₃)₂.6H₂O，纯度：99%）和六水合氯化钴（CoCl₂.6H₂O，纯度：99%）购自SRL。六水合硝酸锌（ZnNO₃.6H₂O，纯度：99%）来自HIMEDIA实验室；熔融片状硫化钠（Na₂S，纯度：52%）购自Sigma-Aldrich。此外还使用了碳导电墨水（来自TECHINSTRO）和纤维素纸作为基底。去离子水通过Millipore UV系统（Direct Q3）获得，电阻率为18 MΩ cm。

仪器设备

形态和结构表征

通过X射线衍射（XRD）研究了合成的CoS/ZnMgS薄膜的晶体结构和相形成。相应的衍射图谱如图2(a)所示，中间图案对应CoS，下方图案对应ZnMgS。CoS的数据集显示了位于2θ = 22.68° (0 0 2)、29.47° (1 0 0)、35.87° (1 0 1)、39.31° (3 1 1)、43.05° (3 3 2)、47.51° (1 0 2)、57.36° (1 1 0)、63.20° (1 0 3) 和 64° (2 0 0) 的明显衍射峰。

结论

总结来说，使用一种简单、可扩展且无需洁净室的环境的SILAR沉积方法，在纤维素纸基底上成功制备了一种灵活的宽带CoS/ZnMgS光电探测器。该方法首先在基底上均匀沉积一层CoS薄膜，然后使用相同的方法沉积ZnMgS薄膜。通过碳浆料制作了电接触。p-n型垂直异质结能够有效分离电子-空穴对。

CRediT作者贡献声明

苏什米·巴杜利卡（Sushmee Badhulika）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、概念构思。阿姆里坦格斯·森（Amritangsu Sen）：撰写 – 原始草稿、验证、方法论、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。