纳米结构Si膜与MoS2的混合异质结构用于自供电光电探测器

《Advanced Electronic Materials》：Hybrid Heterostructures of Nanostructured Si Membrane and MoS2 for Self-Powered Photodetectors

　　**摘要**

二维过渡金属硫属化合物，特别是二硫化钼（MoS2），由于其原子级厚度和出色的静电完整性，已成为下一代电子和光电子器件的有前景的通道材料。然而，MoS2器件在传统的平面硅（Si）衬底上的性能往往受到载流子散射、静电控制不足和自热效应的限制。在这项工作中，我们通过一种可扩展的工艺展示了基于Si纳米网格衬底的MoS2垂直异质结构。Si纳米网格是通过纳米球光刻技术制备的，而MoS2/Si异质结构则是通过反应磁控溅射和常压硫化法共形沉积MoS2来形成的。基于这种纳米结构MoS2/Si异质结的光电探测器表现出比平面MoS2/Si器件更高的电导率和光电流，并且可以在无需外部电源的情况下工作。光电流映射进一步表明，MoS2/Si异质结区域主要控制着光响应，在零偏压下以光伏模式工作，在反向偏压下则转变为雪崩辅助模式。实验获得了205 mA W?1的峰值响应度，上升和衰减时间分别为150毫秒和100毫秒。这些结果表明，MoS2/Si纳米网格平台的集成为高性能二维半导体电子和光电子器件提供了一条与CMOS兼容且可扩展的途径。

**1 引言**

硅（Si）由于其丰富的资源、成熟的加工技术和优异的电子特性，长期以来一直是现代电子和光电子技术的基石[1-3]。基于Si的光电探测器（PDs）广泛应用于成像、光通信和传感领域[4-6]。然而，传统的平面Si PDs存在固有的局限性，包括在短相互作用长度下的光吸收受限、光谱可调性有限，以及难以集成多功能或机械柔性的器件架构[7]。此外，由于严格的晶格匹配和热膨胀系数匹配要求，很难在非层状3D半导体之间形成异质结构。为了克服这些限制，结合范德华（vdW）材料的混合异质结因其独特的优势（如成本效益[8, 9]、宽带光检测能力[10-14]和机械柔韧性[15, 16]而受到了广泛的研究关注。vdW材料缺乏悬挂键，使其能够与任意材料形成异质结，且不受晶格匹配的限制[17]。研究表明，vdW材料可以与另一种vdW材料或非层状材料形成原子级 abrupt 接口[18-20]。在这些层状材料中，二硫化钼（MoS2）已成为光检测应用的有希望的候选材料[21, 22]。MoS2的带隙从体材料的间接带隙（约1.2 eV）到单层材料的直接带隙（约1.8 eV）变化，使其在可见光谱范围内具有强烈的光-物质相互作用[23]。此外，MoS2还具有高光吸收率、良好的化学稳定性和与多种衬底的兼容性[24, 25]。当MoS2与Si结合时，会形成II型异质结，该异质结具有内置电场，有助于高效分离光生载流子，从而实现光伏操作和低功耗光检测[26, 27]。然而，大多数报道的MoS2/Si PDs依赖于平面器件几何结构，这限制了载流子分离的界面面积并降低了光吸收[28]。3D Si结构，如纳米线、纳米柱或纳米网格，提供了更大的表面积、增强的光捕获能力和与MoS2的更大界面接触[29-31]。特别是Si纳米网格，具有互连结构、高的表面积与体积比、机械柔顺性以及与可扩展制造的兼容性。实现3D MoS2/Si异质结的关键挑战是在高纵横比的Si纳米结构上实现均匀的MoS2覆盖。机械转移剥离的或化学气相沉积（CVD）生长的MoS2往往会导致覆盖不完整或非均匀成核[32]。一种替代且有前景的方法是先沉积金属或金属氧化物前驱体，然后进行硫化以形成MoS2。特别是，通过溅射沉积的MoO3薄膜具有出色的厚度均匀性、共形覆盖性和与3D衬底的兼容性[33]。随后的硫化可以在保持底层纳米结构形态的同时实现MoS2的大规模转化[34]。在这项工作中，我们报道了将Si纳米网格膜与MoS2薄膜进行混合共形集成，以实现基于3D异质结的高性能自供电PD（图1a）。Si纳米网格是通过纳米球光刻（NSL）结合伪博世蚀刻工艺制备的，从而在大面积上精确控制孔径大小、深度和均匀性。通过反应溅射在纳米结构Si膜上沉积共形的MoO3种子层，然后进行硫化以形成连续的MoS2涂层，建立了高质量的3D异质结。结构和形态表征确认了MoS2的均匀覆盖和结晶性，而拉曼和X射线分析揭示了结晶相和非晶相的共存。与平面MoS2/Si器件相比，纳米结构器件在正向偏压下表现出更高的导电性，在反向偏压下显著抑制了暗电流，突显了3D异质界面的有益作用。此外，基于纳米网格的PDs表现出稳定且可重复的光响应，峰值响应度为205 mA W?1，并且能够在弱光照下工作。扫描光电流映射证实，MoS2/Si异质结区域主导了光响应，在零偏压下以光伏模式工作，在反向偏压下转变为雪崩辅助模式。这项工作表明，MoS2与Si纳米网格的垂直异质结构可以增强光-物质相互作用，增加界面面积，并实现高效的自供电光检测，为基于混合Si/2D材料系统的高性能、低功耗和结构工程化光电子器件的发展开辟了新的机会。

**2 方法**

**2.1 在SOI上的纳米球光刻**

Si纳米网格是通过纳米球光刻技术制备的。商用SOI晶圆购自University Wafer（产品ID：3536）。器件层为220纳米厚的单晶Si，具有（100）晶体取向，p型掺杂了硼。埋藏的氧化物（BOX）层厚度为3000纳米，把手层厚度为750微米。SOI晶圆使用切割锯（DISCO DAD321）切割成1厘米×1厘米的片材，然后在丙酮和异丙醇（IPA）中超声处理15分钟，再用去离子水冲洗以去除表面污染。使用直径为607纳米的聚苯乙烯纳米球（PSNS）悬浮液（Microparticle GMBH）作为NSL的软掩模。该悬浮液通过定制的刀片涂布设备涂覆在未抛光的Si衬底上，并在空气中干燥，使PSNS自组装成六角密排的单层。然后通过将衬底浸入去离子水中并将Si纳米网格从衬底上剥离，将其转移到SOI衬底上（如图S1所示）。使用表面活性剂帮助PSNS在空气-水界面均匀分布并防止过早粘附。之后，PSNS经过氧等离子体蚀刻以减小和微调其尺寸（图S2），该过程使用感应耦合等离子体反应离子蚀刻（ICP-RIE，Oxford Instruments PLASMALAB100 ICP380）进行，射频功率为20 W，ICP功率为800 W，氧流量为20 sccm。在此过程中，腔室压力保持在10 mTorr以确保蚀刻速率可控。因此，在Si纳米网格中的单个NS之间形成了纳米间隙，决定了Si纳米孔的大小。接着，通过电子束蒸发（EBE，Intlvac Nanochrome II）在PSNS涂层的衬底上沉积30纳米厚的Cr掩模。然后通过超声处理去除PSNS，留下由PSNS之间的纳米间隙形成的蜂窝状网络的Cr掩模在SOI衬底上。

**2.2 SOI的伪博世蚀刻**

在Oxford Instruments PLASMALAB100 ICP380系统上进行深度反应离子蚀刻（DRIE），以蚀刻Si平面膜并形成纳米网格膜。为了实现具有陡峭侧壁轮廓的深度蚀刻，使用了伪博世工艺[35]。在伪博世工艺中，按交替顺序引入两种不同的氟化气体SF6和C4F8。SF6是蚀刻Si的气体，负责去除Si；C4F8则沉积在蚀刻Si的侧壁上来形成聚合物钝化层，保护侧壁免受SF6的进一步蚀刻，从而形成陡峭的蚀刻轮廓。SF6/C4F8的流量比为40/90 sccm，射频功率为20 W，ICP功率为600 W。为了去除Si侧壁上可能残留的C4F8沉积物，在每次伪博世工艺后进行了短暂的氧等离子体处理。Si蚀刻步骤完成后，将整个衬底浸入Cr蚀刻剂（Sigma–Aldrich）中30秒以去除Cr掩模。

**2.3 MoS2硫化**

进行光刻（Intelligent micropatterning SF100 XPRESS）以定义MoS2层的区域。使用直流（DC）溅射沉积Mo或MoO3。两种材料都使用了金属Mo靶材。对于Mo沉积，使用直流功率70 W和Ar气体流量20 sccm，沉积时间约为30秒。对于MoO3沉积，使用直流功率70 W和Ar/O2气体流量20/20 sccm，沉积时间为5分钟。然后，在常压下使用双区管炉进行Mo/MoO3种子层的CVD硫化。CVD装置的示意图见图S3。带有Mo/MoO3种子层的SOI衬底放置在高温区的下游石英管中，而含有S粉末的石英舟放置在低温区的上游石英管中。引入了100 sccm的Ar和5 sccm的H2作为载气。高温区加热至800°C–900°C，低温区加热至200°C。两个温度区的升温速率为25°C min?1。炉子在目标温度下保持30分钟，然后打开管炉并在空气中冷却。为了比较，还制备了MoS2/Si平面异质结的对照组。

**2.4 MoS2/Si PD的器件制备**

为了在MoS2/Si纳米网格异质结的两端实现欧姆接触，采用了非对称金属化方案。首先，使用溅射沉积在Si上形成Al电接触（直流功率=100 W，Ar流量=20 sccm，沉积时间=15分钟）。Al已知可以容易地与p-Si形成欧姆接触[36]。然后，通过反应溅射沉积Al2O3层（直流功率=150 W，Ar/O2流量=20/15 sccm，沉积时间=40分钟）以覆盖裸露的Si表面，钝化悬挂键并减少表面复合[37]。接着，通过电子束蒸发在MoS2上沉积5纳米厚的Cr和50纳米厚的Au电接触。

**2.5 表征和光检测**

使用敲击模式原子力显微镜（AFM，Bruker，Dimension Icon SPM）测量样品的表面形貌。采用扫描电子显微镜（SEM，FEI NovaNanoSEM 430）研究与Si纳米网格制备相关的纳米特征。在室温条件下，使用共聚焦显微镜系统（WITec，alpha 300R）收集光学显微照片、拉曼光谱和光电流图。使用532纳米激光作为激发源，压电晶体控制的扫描台进行扫描。空间分辨率由0.3 μm的激光斑点（50倍物镜）和0.1 μm的扫描步长定义。为了实现高灵敏度的光电流检测并抑制1/f噪声，入射激光束通过机械斩波器以572 Hz的频率调制。为了评估Si和MoS2薄膜的电子能带对齐情况，在SPECS超高真空角分辨光电子能谱系统中进行了X射线光电子能谱（XPS）和紫外光电子能谱（UPS）测量。分别使用单色化的Al-Ka源（1486.7 eV）和单色化的He-I源（21.2 eV）作为XPS和UPS的激发源。这些器件的I-V特性是在环境条件下使用源表单元（Agilent，B2902A）测量的。

3 结果

3.1 纳米球光刻和伪Bosch刻蚀在SOI上的应用

如图1b所示，聚苯乙烯纳米球（PSNSs）被用作NSL过程的软掩模。扫描电子显微镜（SEM）被用来研究形成在绝缘体上硅（SOI）基底上的PSNS单层的形态。当从水溶液中取出时，PSNSs自组装成六方紧密堆积的单层（图1c）。通过氧气等离子体干法刻蚀有效地减小并微调了单个PSNS的直径后，在PSNSs之间创建了纳米间隙（图1d；图S2）。随着刻蚀时间的增加，纳米间隙的宽度增加，但PSNS也失去了它们原来的圆形。在本工作中，采用了60秒的刻蚀时间来制作Si纳米网。图S2g-n展示了用于确定Si刻蚀率的光学图像和AFM高度剖面。可以看出，形成了几乎垂直的侧壁轮廓，这表明伪Bosch过程适用于在Si基底上工程化非常精细和深的特征。图1e中的SEM图像显示，使用伪Bosch刻蚀过程形成的纳米孔具有明确的边缘。AFM图像中虚线上的高度传感器线轮廓（图1f）显示，当涉及深纳米特征时，侧壁保持了陡峭的轮廓和良好的宽高比。

3.2 通过硫化合成MoS2

在选择MoO3作为硫化的种子层之前，我们比较了从Mo和MoO3转化而来的MoS2的表面形态（图S3b-e）。由于MoO3的沉积速率较低（1.8 nm/min），其沉积的MoO3薄膜比Mo薄膜具有更光滑的表面（Mo的沉积速率为18 nm/min）。在800°C下硫化30分钟后，两种前体都产生了具有垂直纳米柱状结构的MoS2薄膜。然而，由Mo形成的纳米柱比由MoO3形成的纳米柱分布更小且更密集。这种差异可以归因于MoO3的熔点要低得多，这使得在硫化过程中原子迁移更为容易。在800°C的生长温度下，Mo中的原子迁移显著受到抑制，而在MoO3中原子重排在硫化过程中更具动力学优势。因此，MoS2晶体更容易从MoO3中成核和生长[38]，导致分布更大且更粗糙。考虑到其对更佳反应动力学的更好厚度控制，MoO3被选为制造3D纳米结构Si/MoS2异质结的种子层。使用拉曼显微镜（Raman microscopy）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）对MoS2层的结晶度和表面形态进行了表征。图2a显示了MoS2/Si异质结的横截面光学图像及其相应的Raman映射。对MoS2特征峰（E12g和A1g）在红色虚线框标出的区域进行了映射。A1g峰的映射显示MoS2覆盖相对均匀，表明所采用的硫化技术成功地在Si侧壁上涂覆了一层连续的MoS2。图2b展示了在Si和SiO2表面上收集的MoS2的Raman光谱。由于光干涉增强的减少，SiO2基底上的MoS2显示出较弱的Raman强度。图2c显示了3D MoS2/Si结构的52度倾斜SEM图像，进一步表明MoS2层在Si纳米网上均匀分布。

3.2 MoS2的合成方法

在选择MoO3作为硫化的种子层之前，我们比较了从Mo和MoO3转化而来的MoS2的表面形态（图S3b-e）。由于MoO3的沉积速率较低（1.8 nm/min），其沉积的MoO3薄膜比Mo薄膜具有更光滑的表面（Mo的沉积速率为18 nm/min）。在800°C下硫化30分钟后，两种前体都产生了具有垂直纳米柱状结构的MoS2薄膜。然而，由Mo形成的纳米柱分布比由MoO3形成的纳米柱更小且更密集。这种差异可以归因于MoO3的熔点较低，这使得在硫化过程中原子迁移更为容易。在800°C的生长温度下，Mo中的原子迁移受到显著抑制，而MoO3中的原子重排在硫化过程中更具动力学优势。因此，MoS2晶体更容易从MoO3中成核和生长[38]，从而导致更大的分布和更粗糙的结构。考虑到MoO3在更佳反应动力学方面的更好厚度控制，选择了MoO3作为制造3D纳米结构Si/MoS2异质结的种子层。使用拉曼显微镜（Raman microscopy）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）对MoS2层的结晶度和表面形态进行了表征。图2a显示了MoS2/Si异质结的横截面光学图像及其相应的Raman映射。对MoS2特征峰（E12g和A1g）在红色虚线框标出的区域进行了映射。A1g峰的映射显示MoS2覆盖相对均匀，表明所采用的硫化技术成功地在Si侧壁上涂覆了一层连续的MoS2。图2b展示了在Si和SiO2表面上收集的MoS2的Raman光谱。由于光干涉增强的减少，SiO2基底上的MoS2显示出较弱的Raman强度。图2c显示了3D MoS2/Si结构的52度倾斜SEM图像，进一步表明MoS2层在Si纳米网上均匀分布。

3.3 MoS2薄膜在Si纳米网上的表征。(a) MoS2/Si纳米异质结横截面上的MoS2 A1g峰的Raman强度映射。插图：横截面的光学图像显示了Si器件层、SiO2盒层和Si处理层。(b) 分别在Si表面（黑线）和SiO2表面（红线）收集的MoS2的Raman光谱。激发波长：532 nm。(c) MoS2/Si纳米异质结的横截面SEM图像。(d) 从MoO3硫化的MoS2收集的XRD光谱。(e) XPS Mo 3d光谱。(f) XPS S 2p光谱。黑线代表原始数据，绿线代表背景，其他颜色线代表去卷积后的峰。(g) 放大的UPS价带光谱，显示二次电子（SE）截止边缘。插图：UPS价带光谱。(h) 放大的XPS价带光谱，显示费米边缘。插图：XPS价带光谱。(i) 顶部：Si和合成MoS2的电子带边缘位置；底部：平衡状态下MoS2/Si的能带图。进行XRD测量是为了检查从MoO3转化而来的MoS2薄膜的晶体学性质。如图2d所示，在2θ ≈ 14.5°处出现了一个明显的(0002)衍射峰，这是结晶MoS2的特征，表明MoS2薄膜成功结晶[39]。然而，在低散射角范围内显著升高的背景强度表明样品中含有大量的非晶相。缺乏更高阶的反射峰也支持这一观察结果。相对较差的整体结晶度可能归因于图S3中所示的纳米柱状表面结构的存在。这些结构被认为是后续MoS2晶体生长的成核中心，由MoOxS2?y (y≥x)物种组成[40]。进行XPS测量是为了分析从MoO3合成的MoS2薄膜的化学性质。XPS核心能级光谱显示在图2e,f中。在图2e中，Mo 3d光谱通过两个去卷积后的Mo 3d3/2和Mo 3d5/2峰进行拟合，它们的结合能分别为232.6和229.6 eV。这些峰的结合能与文献中报道的原子级薄MoS2的值相符[41-43]。没有观察到与Mo6+相关的峰[44]，表明在当前合成条件下MoO3完全还原为Mo4+状态并转化为MoS2。图2f显示了S 2p线。S 2p光谱很好地被S 2p1/2和S 2p3/2去卷积后的峰拟合，它们的结合能分别为163.3和162.4 eV，与MoS2的值相符[45]。在S 2p线上没有看到S元素的迹象，表明在合成的MoS2表面没有残留的S元素，这在较低反应温度（500°C）下通过CVD硫化的样品中是有报道的[43]。从相应的XPS光谱的积分面积估计的S:Mo的化学计量比略大于2，表明样品中存在Mo的缺乏，这表明MoS2薄膜具有p型行为。

3.3 MoS2与Si异质结的能带对齐

为了确定合成的MoS2与SOI上的Si器件层之间的能带对齐情况，进行了XPS和紫外光电子能谱（UPS）测量。图2g的插图显示了从MoS2薄膜获得的UPS价带光谱。MoS2的功函数由以下公式给出：

其中hv代表He-I光源的能量（21.2 eV），Ecut-off代表光谱中较高结合能边缘的二次电子（SE）截止能量，EF是校准为0 eV的费米能量。图2g显示了UPS价带光谱的SE截止边缘，Ecut-off测量值为15.6 eV。因此，我们有：

图2h显示了从MoS2薄膜获得的XPS价带光谱，从中可以确定价带边缘位置。MoS2薄膜的价带最大（VBM）能量水平相对于真空水平由以下公式给出：

其中可以从XPS价带光谱中通过找到费米边缘与基线的线性外推交点来提取，该交点显示在图2h中。交点位于0.5 eV。因此，我们有：

沉积的MoS2层的带隙能量Eg估计为1.3 eV（接近块状MoS2的1.29 eV带隙）。因此，MoS2的导带最小（CBM）能量水平相对于真空水平可以由以下公式确定：

由于晶体Si的电子能带结构已经得到了充分研究，因此采用了文献中报告的值来进行带隙对齐分析[46]。因此，我们有：

同时，p型掺杂的Si器件层的电阻为10–20 Ω·cm，对应的功函数为?si ≈ 5.03 eV [47]。Si和合成的MoS2之间异质结界面的带边位置对齐和理想化的能带图显示在图2i中。当两者接触时，由于Si中的费米能量较高，作为MoS2和Si中的主要载流子的空穴将从MoS2扩散到Si中，导致在Si侧形成正电荷积累区，在MoS2侧形成负电荷积累区。这意味着在界面附近形成了一个从Si指向MoS2的内建电场Vbi。

3.4 纳米结构MoS2/Si异质结光电探测器

通过图3a所示的金属化方案制备了纳米结构MoS2/Si PD和平面MoS2/Si PD。图3b,c分别显示了平面和纳米结构MoS2/Si异质结构的光学图像。首先在暗条件下测量了两种器件的电流-电压（I-V）特性。如图3d所示，两种PD都表现出明显的整流行为。基于Si纳米网的器件比基于平面的器件具有更高的导电性，这可以归因于Si纳米网更大的比表面积。这种增加的表面积增强了MoS2/Si界面接触，并降低了异质结的电阻。

3.4 纳米结构MoS2/Si异质结光电探测器

通过图3a所示的金属化方案制备了纳米结构MoS2/Si PD和平面MoS2/Si PD。图3b,c分别显示了平面和纳米结构MoS2/Si异质结构的光学图像。首先在暗条件下测量了两种器件的电流-电压（I-V）特性。如图3d所示，两种PD都表现出明显的整流行为。基于Si纳米网的器件比基于平面的器件具有更高的导电性，这可以归因于Si纳米网更大的比表面积。这种增加的表面积增强了MoS2/Si界面接触，并降低了异质结的电阻。

3.4 纳米结构MoS2/Si异质结光电探测器的性能评估

为了评估这些器件的光电检测性能，在532纳米激光器不同功率（0.14至675微瓦）的照明下记录了I-V曲线。可以看出，纳米结构MoS2/Si PD和平面MoS2/Si PD都显示出相似的I-V曲线形状，这表明当Si被制成纳米网时，光电流生成机制没有发生重大改变。在相同的照明强度下，纳米结构MoS2/Si PD显示出更大的光电流，这可能是由于Si纳米网改善了导电性和引入了光捕获效应。然而，3D MoS2/Si纳米网PD的整体光电流增强相对较小。该器件在反向外部偏压条件下（Vd < -0.5 V）运行最佳。值得注意的是，反向偏压下抑制的暗电流使得即使在低至93皮瓦的入射功率下也能检测到微弱的光照。尽管在正向偏压下MoS2/Si PD的导电性更好，但在反向偏压下MoS2/Si PD的暗电流被更强烈地抑制。此外，在反向偏压低于-0.5 V时，光电流呈指数增长，表明在这些条件下雪崩击穿机制成为主导的光电流生成机制。为了研究时间分辨的光电检测性能，记录了MoS2/Si纳米网PD的电流-时间（I-t）特性。在各种照明功率下，3D MoS2/Si纳米网PD在10分钟以上的时间和超过120个开关循环内显示出稳定且可重复的光电流响应，证明了良好的操作稳定性。图3i显示了I-t曲线的放大视图，显示了一个代表性的开关循环的上升和衰减时间。上升时间trise确定为150毫秒，衰减时间tdecay确定为100毫秒。这些相对较长的响应时间很可能是由于MoS2薄膜的晶体质量不佳所致。为了量化3D MoS2/Si纳米网格光电二极管的光电检测效率，计算了其光电响应度，并将其作为光照射强度的函数绘制出来（图3g）。光电流随照射强度的降低而对数增长，在最低照射强度0.017 mW cm?2时达到最大响应度205 mA W?1。相关先前报道的基于MoS2的光电二极管的性能指标比较总结在表S1中，表明该光电二极管的响应度与之相当。为了确定3D MoS2/Si光电二极管的活性区域并阐明光电流的产生机制，进行了扫描光电流映射测量。在无外部偏压以及施加反向偏压Vd = ?1 V的情况下，都观察到3D MoS2/Si纳米网格区域有强烈的光电流信号（图4a,b）。这表明3D MoS2/Si纳米网格异质结是产生光电流的主要活性组件。提供了MoS2/Si界面的示意图来说明其工作原理。在零外部偏压下（图4d），光生电子-空穴对受到内建电场（Vbi）的作用而分离，从而通过光伏效应产生光电流。在这种光伏模式下，光电二极管无需外部电源即可自供电，适用于对功率效率要求严格的应用场景。在施加反向偏压Vd = ?1 V时，3D MoS2/Si纳米网格重叠区域观察到强烈的光电流（图4e），表明其工作条件更为有利。增强的有效电场加上光载流子的注入，使得载流子能够穿透异质结的界面能垒，并通过碰撞电离产生载流子级联效应。这一过程解释了在约?0.5 V的击穿电压以下观察到漏电流（Id）的指数增长。相比之下，在正向偏压Vd = 2 V下，异质结区域检测到微弱的负漏电流（图4c）。这种行为表明内建电场Vbi足够大，可以抵消正向偏压的影响，从而使光电流的产生主要由光伏效应主导，如图4f所示。

（a–c）分别在Vd = 0 V、Vd = ?1 V和Vd = 2 V条件下MoS2/Si纳米网格光电二极管的光电流映射图。黑色虚线表示电极边缘（左侧为源极，右侧为漏极）。（d-f）在不同外部偏压条件下Si纳米网格/MoS2界面的能带图，对应于（a-c）。刻度尺：10 μm。

4 结论
总结来说，利用NSL和伪博世（Pseudo-Bosch）工艺制备了Si纳米网格，并通过反应溅射沉积MoO3种子层和随后的硫化作用制备了3D MoS2/Si纳米网格异质结构。基于这种纳米结构MoS2/Si异质结的光电二极管与相同配置的平面MoS2/Si光电二极管进行了比较。纳米结构MoS2/Si异质结在正向偏压下表现出增强的导电性，这归因于较大的界面面积；而在反向偏压下，其暗电流显著降低，与平面器件相比有明显差异。这些特性突显了纳米结构异质结在光电检测应用中的优势。纳米结构MoS2/Si光电二极管的峰值响应度为205 mA W?1，上升和衰减时间分别约为150毫秒和100毫秒。由于其较大的比表面积、有利的电学特性以及与纳米结构架构的兼容性，MoS2/Si纳米网格异质结为进一步研究提供了有前景的平台，包括需要增强界面相互作用的应用，以及基于刚性晶体硅的机械可拉伸器件的潜在实现。

5 未来展望
本工作中展示的纳米结构MoS2/Si异质结为推进基础研究和实用光电应用提供了一个多功能平台。可以采取几个方向来进一步提高器件性能和扩展功能。首先，通过优化硫化过程，可以提高MoS2层的晶体质量和相纯度，预计这将显著提高载流子迁移率和响应速度。其次，将这一平台扩展到其他二维半导体和异质结构上，可以拓宽光谱覆盖范围和器件功能，从而实现定制光-物质相互作用，并实现多带或宽带光电检测。通过系统控制异质结处的材料组成、掺杂或界面工程，可以增强光吸收和载流子提取。这种优化对于开发具有更高响应度、更低噪声和更低工作电压的光电探测器至关重要，特别是对于自供电光电检测而言。第三，Si纳米网格的膜状特性为基于刚性晶体硅的机械柔性和可拉伸电子器件开辟了新途径。未来的研究可以探索将纳米网格异质结构转移到柔性基底上，以及与CMOS电路集成，以实现大面积成像和传感系统。这些方向展示了纳米结构Si/2D材料异质结在下一代低功耗和多功能光电器件方面的巨大潜力。

致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（52402166）、澳门特别行政区科学技术发展基金（0116/2022/A3, 0065/2023/AFJ）、广东省自然科学基金（2025A1515011120）和澳大利亚研究委员会（DE220100154）的支持。部分工作在澳大利亚国家制造设施（ANFF）的维多利亚节点——墨尔本纳米制造中心（MCN）进行。

利益冲突
作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明
支持本研究结果的数据可在本文的补充材料中找到。