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【国内论文】山东大学---优化 Zr 自补偿掺杂效应，实现在恶劣环境中耐用性更强的高性能可穿戴式非晶 Ga₂O₃ 光电探测器

日期：2025-04-18阅读：43

由山东大学的研究团队在学术期刊ACS Applied Materials & Interface发布了名为Optimizing Zr Self-Compensation Doping Effect for High-Performance Wearable Amorphous Ga₂O₃Photodetectors with Enhanced Durability in Harsh Environments（优化Zr自补偿掺杂效应，实现在恶劣环境中耐用性更强的高性能可穿戴式非晶Ga₂O₃光电探测器）的文章。

背景

近年来，柔性光电器件，特别是柔性光电探测器，因其在可穿戴监测电子设备等领域的巨大潜力而备受关注。非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）由于其宽带隙、低温制备优势以及在极端条件下的优异稳定性，被认为是用于柔性日盲紫外光电探测器的一种非常有前景的候选材料。然而，a-Ga₂O₃ 的制备过程中不可避免地会引入氧空位（V_O）缺陷，这会导致光电探测性能下降和耐腐蚀性降低。V_O 缺陷还会增加材料表面的亲水性，使其更容易吸附腐蚀性离子。现有的抑制 V_O 缺陷的方法（如补氧、N 掺杂、Tm 掺杂等）存在局限性或可能引入新的缺陷。锆（Zr）掺杂被认为是一种有前景的策略，因为 Zr-O 键能强于 Ga-O 键能，理论上可以提高 V_O 的形成能，从而在低掺杂水平下有效抑制 V_O 的产生。目前缺乏针对柔性 a-Ga₂O₃ 光电探测器在模拟汗液等恶劣环境（如盐雾）下的性能测试。

摘要

近年来，柔性光电探测器因其广阔的应用前景而备受关注。其中，非晶 Ga₂O₃（a-Ga₂O₃）凭借其超宽禁带、低温制备优势及在极端环境下的优异稳定性，成为柔性日盲紫外光电探测器的极具潜力的候选材料。然而，在制备过程中，a-Ga₂O₃ 不可避免地会引入氧空位（V_O）缺陷，导致光电探测性能下降，并降低其抗腐蚀能力。该研究提出了一种锆（Zr）自补偿掺杂策略，并通过优化掺杂浓度来抑制 V_O 缺陷，从而显著提升柔性 a-Ga₂O₃ 光电探测器的光电性能及耐久性。研究表明，Zr 的引入有效消除了 Ga₂O₃ 薄膜中的本征 V_O 缺陷，使暗电流降低了超过 3 个数量级（从 ∼10^–8 A 降至 ∼10^–11 A），并将响应时间缩短了 50 倍，实现了仅 6 μs 的超快响应。此外，优化后的光电探测器表现出极高的探测度（3 × 10¹⁴ Jones），表明其对紫外光的灵敏度极高。在耐久性测试中，优化后的器件展现出卓越的机械柔韧性，在经历 10,000 次弯折循环后仍能保持超过 95% 的初始性能，并且在盐雾腐蚀环境下持续 72 小时后仍能保持稳定的光电探测性能。该项研究为高性能柔性光电探测器的开发提供了一种有效解决方案，特别适用于可穿戴设备及恶劣环境应用。

总结

该研究通过引入锆（Zr）自补偿掺杂并优化掺杂浓度策略，开发出了一种高性能、柔韧且抗腐蚀的非晶态氧化镓（a-Ga₂O₃）光电探测器。锆自补偿掺杂显著减少了氧化镓薄膜中的氧空位缺陷，使暗电流从 10^-8 A 降低至 10^-11 A，降幅达三个数量级。此外，Ga₂O₃：Zr 光电探测器的响应时间缩短了 50 倍，上升时间和衰减时间分别为 14 和 6 ms，相较于未掺杂的 Ga₂O₃ 光电探测器有显著提升。这些改进带来了卓越的灵敏度，响应度达到 65.2 A/W，探测率高达 3×10¹⁴ Jones，光暗电流比超过 2.79×10⁶。

此外，掺锆的氧化镓光电探测器还表现出卓越的机械强度，在不同的弯曲角度下以及经过 10000 次大角度弯曲循环后仍能保持稳定的光响应，使其成为柔性电子产品的理想选择。这些器件还具有出色的耐腐蚀性，在高浓度盐雾中放置 72 小时后性能仅下降 4%，而未经处理的氧化镓光电探测器则下降了 49%。这些发现突显了锆自补偿掺杂在克服开发耐用、高性能柔性光电探测器的关键挑战方面的有效性，为它们在恶劣环境和可穿戴技术中的应用铺平了道路。

图文示例

图 1. (a) 纯 Ga₂O₃、Ga₂O₃:Zr 和 Ga₂O₃:2Zr 薄膜的 XRD 图。(b) 沉积在 PET 衬底上的 Ga₂O₃ 和 Ga₂O₃:Zr 薄膜的二维（左）和三维（右）原子力显微镜图像。(c) 沉积在玻璃衬底上的未掺杂 Ga₂O₃、Ga₂O₃:Zr 和 Ga₂O₃:2Zr 薄膜的光学透射光谱（插图为光学吸收图）和 (d) Tauc 图。(e) Ga₂O₃ 薄膜的平面图和 (f) 截面 SEM 图像。

图 2：(a) Ga₂O₃、Ga₂O₃:Zr 和 Ga₂O₃:2Zr 薄膜的 XPS 勘测光谱、(b) Zr 3d 和 (d) O 1s 核级光谱。(c) Ga₂O₃ 和 Ga₂O₃:Zr 薄膜的 EPR 光谱。

DOI：

doi.org/10.1021/acsami.4c17584