通过绿色硫化策略对垂直取向的ZnO纳米棒进行表面工程处理，以用于柔性光电探测器应用

《Applied Surface Science Advances》：Surface engineering of vertical ZnO nanorods via green sulfurization strategy for flexible photodetector applications

ZnO/ZnS核壳结构柔性光探测器通过硫化工法制备，激光加工碳电极降低成本并增强环境稳定性。器件在365nm紫外光下响应度达14.1 A/W，检测度9.1×10^12 Jones，较未硫化器件提升16倍，95%RH下性能保持稳定，弯曲1500次后响应度下降8%。该绿色工艺为可穿戴设备提供新型柔性光探测器方案。

　　在当前的物联网（IoT）时代，柔性光探测器因其在可穿戴电子设备和人机交互界面中的广泛应用而备受关注。这类设备能够适应复杂的曲面结构，为健康监测、智能传感器贴片等应用场景提供了新的可能性。然而，传统的光探测器多基于刚性基底，难以满足柔性化需求。因此，开发高性能、低成本且环保的柔性光探测器成为研究的重点。

锌氧化物（ZnO）作为一种直接宽禁带半导体材料，具有3.27 eV的禁带宽度（在室温下），同时具备高热稳定性、大激子结合能（约60 meV）以及易于通过多种方法合成的特性。这些优点使ZnO成为固态和柔性紫外光探测器的潜在候选材料。然而，ZnO在实际应用中仍面临一些挑战，例如响应能力较低和对湿度的敏感性。这些问题主要源于材料表面的缺陷和电荷陷阱状态，这些状态会影响其光电性能。

为了克服这些局限，研究者们提出了多种表面工程策略，其中核心/壳层结构（core/shell structure）被认为是一种有效的方法。通过在ZnO纳米棒（NRs）表面构建ZnS层，可以形成ZnO/ZnS异质结，从而改善光探测器的性能。ZnS具有约3.6 eV的禁带宽度，且其表面具有疏水性，这有助于减少环境湿度对器件性能的影响。此外，ZnS与ZnO同属第六主族元素，这种相似性使得S离子能够替代O离子，从而优化材料的表面结构和电学性能。

本研究采用了一种低成本、快速且环保的两步水热法来制备ZnO/ZnS纳米棒结构。该方法不仅简化了制备流程，还降低了对昂贵设备的依赖。同时，为了进一步提升器件的环保性和成本效益，研究团队选择了激光烧结的碳电极作为导电材料，替代传统的物理沉积金属电极。碳电极的制备可以通过低功率激光烧结聚酰亚胺（PI）基底实现，而无需使用电子束蒸发器或溅射设备等高成本设备。

在性能测试中，研究团队发现，经过硫化处理的ZnO/ZnS纳米棒结构显著提升了光探测器的响应能力。在365 nm紫外光照射下，硫化后的器件表现出高达14.1 A/W的响应率和9.1 × 1012 Jones的探测率，分别是未硫化ZnO器件的16倍。这一结果表明，硫化策略在提升器件性能方面具有显著效果。此外，硫化后的器件在95%相对湿度环境下仍能保持良好的稳定性，且在1500次弯曲循环后仍能保留92%的响应率，显示出出色的柔韧性和环境适应性。

为了进一步验证硫化策略对器件性能的影响，研究团队通过多种表征手段对材料的结构和形貌进行了分析。X射线衍射（XRD）结果显示，ZnO和ZnO/ZnS材料均表现出清晰的晶面特征，其中（002）晶面为主要衍射峰，表明纳米棒在基底上实现了垂直排列。扫描电子显微镜（SEM）图像也证实了纳米棒的均匀生长和表面覆盖情况，而能量色散X射线光谱（EDX）分析则进一步证明了ZnS层的成功形成。

在光电性能测试中，研究团队通过电流-电压（I-V）曲线和电流-时间（I-t）曲线对硫化前后器件的性能进行了对比分析。结果显示，硫化后的器件在光照射下表现出更快的响应速度和更高的灵敏度。这些性能的提升归因于ZnO/ZnS异质结的形成，它能够有效调控载流子的传输路径，减少表面缺陷对光电性能的负面影响。同时，ZnS层的疏水性也有助于提高器件在高湿度环境下的稳定性。

除了性能的提升，研究团队还关注了器件的制备工艺和环保性。两步水热法不仅简化了合成过程，还降低了对化学试剂和能源的消耗。此外，激光烧结的碳电极不仅成本低廉，而且在制备过程中几乎不产生有害废物，符合绿色制造的要求。这些优势使得本研究提出的柔性光探测器在工业应用中具有较高的可行性。

综上所述，本研究通过硫化策略成功构建了ZnO/ZnS核心/壳层纳米棒结构，并结合激光烧结的碳电极，开发出了一种高性能、低成本且环保的柔性光探测器。该器件在紫外光照射下表现出优异的响应能力和探测率，同时具备良好的湿度稳定性和柔韧性。这些特性使其在可穿戴电子、智能传感器和人机交互界面等应用中具有广阔前景。通过本研究的成果，可以为未来柔性光探测器的设计和制备提供新的思路和方法。