编辑推荐：
二维过渡金属化合物与三维氧化物垂直p-n结的协同生长及光电性能研究。采用单步化学气相沉积法在预图案化SiO?/Si(100)衬底上同步制备WS?和WO?纳米结构，形成垂直异质结。器件在360-940 nm宽光谱范围内表现出高响应度（0.31-0.35 A/W）和检测度（1.23×1013-7.67×1012 Jones），通过XRD、Raman等表征证实材料结晶质量优异。
Mahboube Esmailpour|Yaser Abdi|Alireza Moshfegh
伊朗德黑兰沙里夫理工大学融合科学与技术研究所纳米科学与纳米技术中心，邮编14588-89694
摘要
二维（2D）过渡金属硫族化合物（TMDs），如WS?，具有可调的带隙、强光-物质相互作用以及优异的机械柔韧性，使其成为下一代光电子器件的理想选择。本文报道了一种一步法双形态化学气相沉积（CVD）工艺，能够在p型SiO?/Si(100)衬底上同时生长WS?和WO?纳米结构。该方法形成垂直的WS?–WO?/Si（2D/3D）p-n结。通过光刻技术制备的窗口结构来限制生长并控制纳米尺度形态。结构分析和光谱分析（XRD、拉曼光谱、FESEM、EDAX和AFM）证实了WS?和WO?相的高结晶度及其独特性质。所制备的WS?–WO?/Si样品被用作光电探测器，研究其在不同光照条件下的性能。结果表明，这些光电探测器在360–940 nm波长范围内表现出快速响应的宽带光敏性，分别在470 nm和660 nm处的响应度为0.31 A/W和0.35 A/W，探测率为1.23×1013和7.67×1012 Jones。这些结果表明，在硅上同时生长WS?–WO?为基于2D/3D半导体结的高性能宽带光电探测器提供了一条有前景且可扩展的途径。
引言
二维（2D）材料，特别是过渡金属硫族化合物（TMDs），由于其纳米级厚度和出色的物理特性而受到广泛关注[1]、[2]、[3]。它们高的表面积与体积比、高效的电荷传输能力以及可调的电子和光学特性，使其成为下一代光电子器件的理想候选材料[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。光电探测器通过电场作用产生电子-空穴对，将入射光转换为电信号[9]、[10]、[11]。尽管现有的硅和III-V族光电探测器具有优异的灵敏度和超快响应速度，但其性能通常局限于刚性平面结构中。相比之下，2D材料具有原子级厚度、机械柔韧性[9]以及易于与多种衬底集成等优点，这促进了混合器件设计的发展[12]、[13]、[14]。
最近的混合结构研究展示了2D和3D材料结合的潜力：MoS?/WS?异质结构表现出高响应度和快速响应[15]，WS?/Si II型结实现了从深紫外到中红外波段的宽带检测[16]，WO???/Si异质结也展现出高响应度和快速响应[17]。这些研究表明，将2D层与传统半导体集成可以提升光电探测器的性能。
本文报道了一种基于垂直集成2D/3D WS?–WO?/Si异质结构的宽带光电探测器。WS?具有强可见光吸收能力，而WO?则增强了稳定性与电荷传输性能。在预图案化的SiO?/Si衬底上直接进行一步CVD生长，避免了后续转移过程中可能出现的撕裂、折叠和聚合物污染等问题[18]。所制备的光电探测器在360–940 nm范围内表现出宽带光响应、高响应度和探测率，以及快速的响应时间，显示出其在下一代光子学和光电子应用中的潜力。
部分内容概述
衬底制备和光刻
本研究使用电阻率为1–10 Ω·cm（载流子浓度约为101?–101? cm?3）的p型SiO?/Si (100)衬底进行器件制备。衬底的掺杂程度直接影响WS?/Si的能带对齐、内置电场和电荷分离效率，从而影响光电流和器件性能。沉积前，衬底依次用去离子水、丙酮和乙醇清洗，并进行超声处理，最后用氮气干燥，以确保...
结果与讨论
通过使用WO?前驱体和硫蒸气，在预图案化的SiO?/Si (100)衬底上通过一步化学气相沉积（CVD）工艺合成了二维混合结构（图1a）。如图1b-d所示，在同一生长过程中同时形成了两种不同的形态——盘状和三角形。这种在单一步骤中同时形成形态和成分不同的区域的现象非常...
结论
在本研究中，通过一步CVD工艺成功同时合成了WS?和WO?层。WS?–WO?/Si器件中观察到的增强光响应归因于两种光学活性相的存在，这两种相分别与硅衬底形成了平行的垂直结。结构分析和光学表征（包括XRD、AFM、拉曼光谱、FESEM和EDAX）证实了这两种材料均具有良好的结晶性，并在衬底上均匀分布。
作者贡献声明
Mahboube Esmailpour：撰写初稿、可视化处理、数据验证、软件使用、资源管理、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。Yaser Abdi：撰写修订稿、可视化处理、数据验证、监督工作、软件使用、资源管理、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。Alireza Moshfegh：撰写修订稿、可视化处理、数据验证、监督工作、资源管理、
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢沙里夫理工大学研究与技术委员会和德黑兰大学提供的财务支持。同时非常感谢Ali Khademi博士在研究过程中提供的有益讨论和帮助。
