Small丨宁波大学利用缺陷-极化耦合机制实现3D石墨烯/β-Ga₂O₃异质结构高性能日盲紫外探测

由宁波大学的研究团队在学术期刊 Small 发布了一篇名为 Defect-Polarization Coupling in 3D-Graphene/β-Ga₂O₃ Heterostructures for Self-Powered and Multifunctional Solar-Blind Ultraviolet Photodetection（三维石墨烯/β-Ga₂O₃ 异质结构中缺陷-极化耦合实现自供能多功能日盲紫外光探测）的文章。

背景

氧化镓（β-Ga₂O₃）因具备超宽带隙（4.8 eV）、高击穿场强以及优异的热与辐射稳定性，被认为是开发日盲紫外探测器的理想材料，但在材料合成过程中不可避免产生的氧空位（Deep-level oxygen vacancies）传统上一直被视为有害缺陷，会引发严重的载流子复合并降低器件性能；尽管引入高迁移率的碳基材料（如三维石墨烯 3D-graphene）有助于改善界面电荷传输，但如何在保留结构完整性的同时将界面氧空位从“有害的复合中心”转化为“有益的功能单元”，以克服低载流子迁移率和高界面势垒，是实现高效、自驱动日盲紫外探测的关键瓶颈。

主要内容

日盲紫外光探测器在安全通信、预警系统和信息安全领域具有广阔的应用前景。单斜相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽带隙而成为理想候选材料。β-Ga₂O₃ 中不可避免的氧空位曾被视为有害缺陷，会降低器件性能。然而，本研究提出了一种创新方法，通过 3D 石墨烯/β-Ga₂O₃ 异质结，重新诠释这些氧空位对光电子增强具有益处。氧空位会导致局部晶格对称性破坏，从而产生偶极场和局部极化。这与三维石墨烯的光学共振相互作用，增强了异质结中的光场和电场，进而改善了光生载流子的分离和传输。实验研究以及密度泛函理论（DFT）和理论计算机辅助设计（TCAD）计算表明，氧空位诱导的局部极化通过陷阱辅助机制降低了界面势垒，增强了电子注入，并提高了光电导增益。该光电探测器在 255 nm 波长下实现了弱光探测（0.002 µW/mm²），其响应率为 3740 A/W，比探测率为 6.85×10¹³ Jones，响应时间为 140 us，并且能够实现零偏置自供电运行。8 × 8 阵列支持紫外成像和光学加密通信。本研究将氧空位重新定义为增强极化的功能机制，为设计先进的宽带隙光电器件铺平了道路。

创新点

1. 缺陷-极化耦合机制：打破“缺陷必然有害”的传统认知，利用氧空位诱导的局域晶格对称性破缺（Local lattice symmetry breaking）产生局域偶极场和局域极化。
2. 双场协同增强：局域极化场与三维石墨烯的多孔光学共振腔效应强耦合，实现了光场与电场的协同增强。
3. 降低界面势垒：氧空位引发的极化降低了 3D-graphene/β-Ga₂O₃ 的界面势垒，促进电子跨界面注入。
4. 陷阱辅助增益（Trap-assisted gain）：深级局域陷阱有效捕获光生电子，延长了载流子寿命，大幅提升了光电导增益。
5. 超高响应度与探测率：在 255 nm 紫外光照射下（10 V 偏压），响应度（Responsivity）高达 3740 A/W，比探测率（Detectivity）达到 6.85×10¹³ Jones。
6. 极佳的弱光探测能力：可实现低至 0.002 uW/mm² 的弱光信号检测。
7. 快速响应与零偏压自驱动：响应时间仅约 140 us，且支持零偏压（Zero-bias）自供电运行。
8. 8 × 8 阵列集成：构建了具有良好均匀性（像素良率 100 %）的阵列器件，成功实现了高对比度的自驱动日盲紫外成像（如字母“U”、“V”、“C”的清晰成像）。
9. 保密光通信：展示了基于该阵列的零功耗紫外保密光通信系统，实现了对脉冲光信号的高忠实度接收与信息解码（如成功解密“VIOLET”信号）。

结论

本研究探讨了氧空位在 3D 石墨烯/β-Ga₂O₃ 异质结构中的作用，并提出了一种基于缺陷诱导极化的光电探测增强机制。通过导电原子力显微镜（CAFM）、扫描开尔文探针显微镜（SKPM）、密度泛函理论（DFT）和响应率模拟的综合分析表明，尽管体 β-Ga₂O₃ 中的氧空位通常被视为深能级复合中心，但当其与 3D 石墨烯结合时，会在异质界面处产生局部偶极场。这种局部极化导致对称性破坏，从而降低界面势垒，促进光生电子的跨界面注入，并通过陷阱-增益机制延长载流子寿命，进而提高光生载流子的分离、注入和传输效率。利用该机制构建的光电探测器在 255 nm 的日盲紫外范围内表现出卓越的性能，实现了低至 0.002 µW/mm² 的弱光探测，在 10 V 偏压下的响应率为 3740 A/W，比探测率为 6.85×10¹³ Jones，响应时间约为 140 us，且无需外部偏压即可实现自供电运行。所构建的 8 × 8 像素阵列有助于高分辨率紫外成像和光学加密通信，展现了强大的可扩展性和跨系统适用性。本研究重新定义了 β-Ga₂O₃ 中氧空位的作用，从有害变为有益，促进了局部极化，并挑战了宽禁带半导体中的缺陷总是降低性能的观点。这些见解为高增益、高速、自供电的日盲紫外光电探测器铺平了道路，支持了紫外通信、片上光学安全和智能成像芯片的进步。

项目支持

本研究得到了以下资助：中国国家自然科学基金（编号62174093和12474273）、集成电路材料国家重点实验室开放研究基金（编号SKLJC-K2025-06）、甬江人才计划（编号2022 A-218-G）、宁波市青年科技创新领军人才项目（编号2024QL013和2023QL016）以及宁波市自然科学基金（编号2024J148）。

图1 3D 石墨烯/β-Ga₂O₃ 异质结构的结构和缺陷特性。（a）Ga₂O₃ 上原位生长的 3D 石墨烯网络的扫描电子显微镜（SEM）图像。（b）相应的能量色散谱（EDS）元素映射。（c）富氧空位 β-Ga₂O₃ 的原子结构模型。（d）不同测试条件下富氧空位区域的原子力显微镜（AFM）图像。（e）在 10 V 偏压下持续 20 秒沿虚线测得的表面电流线轮廓。（f）在 2.5 V 偏压下持续 5 秒沿虚线测得的表面电流线轮廓。（g）对应富氧空位区域的高分辨率氧 1s X 射线光电子能谱（XPS）图。（h）3D 石墨烯的原子力显微镜（AFM）图像。（i）3D 石墨烯的孔隙率图。（j）通过时域有限差分（FDTD）模拟获得的 3D 石墨烯归一化功率损耗密度分布。

图2 3D 石墨烯/β-Ga₂O₃ 异质结中氧空位诱导的电荷重新分布和内建场增强。（a–b）含氧空位和不含氧空位的 3D 石墨烯/β-Ga₂O₃ 异质结的电荷密度差图。红色和蓝色区域分别表示电子积累和耗尽。（c）含氧空位和不含氧空位的异质结构的瞬态光电流响应光谱。（d）3D 石墨烯和 β-Ga₂O₃ 的功函数和能带排列示意图。（e–f）TCAD 模拟的 255 nm 照射下异质结构的电势分布和电子密度图。（g–h）异质结构在黑暗中和照射下的界面电势分布。（i）从（g–h）中提取的表面电势变化。

图3 制备的光电探测器的自供电日盲紫外探测性能。（a）3D 石墨烯/β-Ga₂O₃ 日盲紫外光电探测器的噪声等效功率谱。（b）在 0.002 至 10 µW/mm² 的照明功率下的 I–V 特性。（c）在 10 V 偏压下，不同光功率密度下 255 nm 照明下的瞬态光响应（I-T）曲线。（d）在零偏压下通过 CAFM 测量的局部光电流映射。（e）在零偏压下测量的器件级自供电光响应。（f）响应率（R）和比探测率（D*）与光功率密度的关系。（g）制备的光电探测器的上升和衰减时间。（h）本研究与先前报道的基于 β-Ga₂O₃ 的日盲紫外光电探测器之间的性能比较。

图4 系统级自供电紫外成像与安全光通信演示。（a–b）基于 3D 石墨烯/β-Ga₂O₃ 异质结构的 8 × 8 自供电探测器阵列在暗态和 255 nm 光照条件下的二维光电流图。（c）阵列中所有像素的光电流统计直方图。（d）掩模投影成像实验示意图。（e–g）零偏压操作下字母“U”、“V”和“C”的重构紫外图像。（h）基于 3D 石墨烯/β-Ga₂O₃ 阵列的紫外光加密通信系统示意图。（i–j）解密过程中记录的实时光电流脉冲响应曲线。

DOI： doi.org/10.1002/smll.74530