基于结合掠角沉积与磁控溅射技术制备的 CuO/ZnO 复合纳米线森林异质结的高性能紫外光电探测器

《Optical Materials》：High-performance ultraviolet photodetector based on CuO/ZnO composite nanowire forest heterojunction fabricated by combined glancing angle deposition and magnetron sputtering

　　

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  通过掠角沉积（GLAD）和磁控溅射技术制备了三维CuO/ZnO纳米线森林异质结紫外光探测器。
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  沉积20分钟ZnO的器件在5 V偏压和365 nm照射下实现了高达69.0 μA的光电流和0.293 A/W的响应度。
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  复合结构兼顾了机械稳定性与可加工性，并最大化了异质结面积，从而优化了载流子传输。
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  CuO与ZnO的带隙互补性协同增强了异质结器件的紫外光电探测能力。

引言

紫外光探测器将紫外光转换为电信号，广泛应用于科学检测[[1], [2], [3]]、工业生产[4]、光通信[5]和国家安全[6]等领域。所用材料主要为宽带隙半导体，包括ZnO、Ga₂O₃、SiC和GaN。其中，ZnO是一种典型的n型宽带隙半导体，带隙为3.37 eV，其能量范围非常适合紫外光谱，具有优异的光响应特性和高效的探测性能，使其成为紫外光探测器的主要研究对象[7]。ZnO还具有高电子迁移率、光学透明度和化学稳定性[8]。其丰富的原料来源、低成本、简单的制备工艺以及适合大规模生产的特性，使其成为紫外光探测器的候选材料。然而，ZnO材料在紫外光探测器应用中表现出显著的局限性：高载流子复合率、光响应选择性不足，以及光吸收范围和载流子传输效率需要进一步优化，使其难以满足高性能紫外探测的实际需求。因此，通过结构设计或材料复合来克服这些瓶颈至关重要。

构建异质结是优化ZnO基紫外光探测器性能的有效策略。其中，CuO/ZnO异质结因其互补性而备受关注[9]。这种异质结的形成实现了有利的能带排列，扩展了光谱响应范围，可同时探测紫外线和短波可见光，从而实现宽带光探测[10,11]。此外，较小的晶格失配促进了高质量界面接触，促进了高效的电荷分离与传输，从而增强了器件的整体光电性能[12]。

基于纳米线的架构是增强CuO/ZnO异质结光探测器性能的有效策略。得益于其大的表面积和一维载流子传输路径，这些结构可以增加界面接触，抑制载流子复合，并促进高效电荷传输，从而提高光电探测性能[13]。因此，通过不同的制备策略，已开发出各种基于纳米线的CuO/ZnO异质结结构，包括纳米线、纳米线阵列和核-壳结构[14,15]。Sudem Daimary等人[16]通过GLAD技术制备了轴向CuO/ZnO异质结，表现出高整流比、低暗电流和快速响应速度。然而，这些器件的响应度和探测率相对较低，且结构脆弱限制了稳定性和实际应用。Andreea Costas等人[17]报道了具有高响应度和探测率的核-壳CuO/ZnO纳米线阵列，但响应速度较慢且光谱范围有限。同样，Monireh Jafari等人[18]开发了具有宽带响应和快速工作的CuO/ZnO纳米线阵列光电二极管，但其响应度、探测率和结构均匀性仍然有限。尽管取得了这些进展，在CuO/ZnO异质结光探测器中平衡高探测性能与结构稳定性和表面均匀性仍然具有挑战性，这继续限制了其实际应用[[19], [20], [21]]。因此，仍然需要一种能够提高器件性能同时保持结构完整性的异质结架构。

针对这些局限性，开发了一种基于三维复合纳米线森林架构的Cu/CuOx-ZnO异质结紫外光探测器。该器件通过结合GLAD与磁控溅射技术制备，实现了异质结结构的可控构建。这种三维构型增加了界面接触面积，增强了光收集和载流子传输，并提供了增强的结构稳定性。此外，系统地研究了ZnO沉积时间对器件性能的影响，以揭示制备参数与光电探测器行为之间的关系。

章节摘要

材料制备

材料制备流程示意图如图1所示。使用掺硼p型SiO₂/Si晶圆（电阻率：1-10 Ω·cm；<100>取向），具有500 ± 20 nm热氧化层，单面抛光，作为衬底。沉积前，Si衬底依次用丙醇、无水乙醇和去离子水超声清洗各5分钟。清洗后，用氦气流干燥以去除残留

结果与讨论

图2显示了沉积的Si/CuOx纳米线森林的表面SEM图像和制备的Cu/CuOx-ZnO三维复合纳米线森林异质结光电探测器。图2a清楚地揭示了具有高度多孔三维结构的Si/CuOx纳米线森林的形成。沉积ZnO后，纳米线森林表现出更光滑且更整合的形貌（A1-A4）。这种演变归因于ZnO融入线间区域，其

结论

在本工作中，通过结合掠角热蒸发与磁控溅射沉积技术，制备了一种基于Cu/CuOx-ZnO复合纳米线森林异质结构的紫外光探测器。系统地研究了ZnO沉积时间对器件光电性能的影响。主要结论如下：

• (1)
  ZnO沉积条件在确定CuO/ZnO异质界面特性和载流子

CRediT作者贡献声明

Chang Cai：写作—审查与编辑，监督，资金获取，概念设计。Peiyu Li：写作—初稿，可视化，形式分析，数据管理。Hongjie Zeng：写作—初稿，形式分析。Zhenguang Luo：可视化，形式分析，数据管理。Maoyang Wang：调查，数据管理。Shiqi Huang：调查，形式分析，数据管理。Xuxiang Zhang：可视化，调查。Zhuan Zhao：写作—审查与编辑，监督，

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被视为影响本文所报告的工作。

致谢

感谢以下资助机构的资助：国家自然科学基金委员会（12403084）；国家自然科学基金委员会（52572160）；广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2025A1515011606）；广州市科技计划项目（项目编号：2025A04J4541）；广东省大学生科技创新培养专项资金（项目编号：pdjh2025ak167）。

Chang Cai|Peiyu Li|Hongjie Zeng|Zhenguang Luo|Maoyang Wang|Shiqi Huang|Xuxiang Zhang|Zhuan Zhao|Shushen Pan