【会员论文】大连理工大学梁红伟教授&辽宁师范大学团队：掺铜β-Ga₂O₃纳米线的自催化生长及紫外检测性能

        由大连理工大学梁红伟教授联合辽宁师范大学的研究团队在学术期刊 Physica B: Condensed Matter 发布了一篇名为Self-catalytic growth and ultraviolet detection performance of Cu: β-Ga₂O₃ nanowires（掺铜 β-Ga₂O₃ 纳米线的自催化生长及紫外检测性能）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，禁带宽度约为 4.9 eV 。其截止波长位于 254 nm，与大气层对紫外线的吸收特性完美契合，属于日盲紫外波段（220–280 nm）探测的理想材料。该材料具备极高的击穿电场（约 8 MV/cm）、优异的化学和热稳定性以及极强的抗辐射能力，使其在航空航天、环境监测等极端环境下具有极大的应用价值。在已有的块单晶、薄膜和微纳结构探测器中，一维纳米线结构由于具有更高的晶体质量和显著的表面效应，在光生载流子的捕获与传输方面优于传统的薄膜器件。目前制备一维 β-Ga₂O₃ 纳米材料通常依赖金属催化剂，这不仅提高了工艺成本，还导致了昂贵贵金属资源的浪费。自催化 VLS 生长通过利用源材料中的金属元素作为催化中心，简化了工艺步骤并降低了成本，是制备高性能纳米材料的优选路径。尽管自催化生长具有潜力，但目前关于 β-Ga₂O₃ 纳米材料自催化 VLS 机制的文献非常有限 。现有的少数报道主要集中在使用金属镓（Ga）籽晶，而关于其他金属辅助自催化的研究仍处于待开发阶段。

        通过基于自催化气液固（VLS）过程并利用自组装铜籽晶，采用化学气相沉积（CVD）成功制备了高密度 Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线。所制备的纳米线长度可达 40 μm 至 60 μm，直径约为 300 至 500 nm。此外，利用这些 Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线，结合铟锡氧化物（ITO）电极，制备了一种光导型紫外光探测器。在 254 nm 波长下，该光探测器在 10 V 偏压时的光电导率（PDCR）达到 4.0 × 10³。该器件还表现出快速响应特性，上升时间为 0.31 s，下降时间为 0.18 s。Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线光探测器在 254 nm 光下（光功率密度为 16 μW/cm²）表现出 0.59 A/W 的高响应度和 1.1 × 10¹² Jones 的比探测率 (D∗)。该技术为生长自催化 β-Ga₂O₃ 纳米结构提供了一种简单且可行的方法。

        ●通过自组装铜籽晶，利用自催化 VLS 机制制备了高密度 Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线。

        ●利用相关 Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线，结合 ITO 电极，制备了光导型紫外光探测器。

        ●计算得出的响应度和比探测率分别为 0.59 A/W 和 1.1 × 10¹² Jones。

        通过自组装铜籽晶进行自催化 VLS 生长，利用 CVD 法制备了大面积、高密度的 Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线。测得 Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线的带隙为 4.85 eV。利用生长出的掺铜 β-Ga₂O₃ 纳米线制备了 MSM 光导探测器。在 254 nm 波长、10 V 电压下，Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线器件的 PDCR 高达 4.0 × 10³。响应时间极快，τ_r 为 0.31 s，τ_d 为 0.18 s。较高的 PDCR、响应度、比探测率和外部量子效率表明，通过自催化 VLS 法生长的 Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线具有优异的紫外线检测性能。本研究为 β-Ga₂O₃ 纳米结构的生长及其紫外光检测性能提供了宝贵的参考。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号：12075045）和大连市科技创新基金项目（项目编号：2023JJ12GX016）的支持。

图1 基于 Cu：β-Ga₂O₃ 纳米线的光导式光探测器的结构示意图。

图2 Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线的 SEM 图像：(a) 低倍放大图，(b) 高倍放大图，以及 (c) 尖端附近的单根纳米线。元素分布的 EDS 图像：(d) Ga，(e) Cu，以及 (f) O。单根 Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线的能谱图：(g) 帽状部分；(h) 棒状部分。

图3 (a) 自催化 Cu:β-Ga₂O₃ 纳米线的 XRD 图谱，(b) 吸收光谱。

图4 暗态下以及在254 nm波长下不同光强条件下，Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线光电探测器的I-V曲线。

图5 (a) 在 10 V 电压下，Cu: β-Ga₂O₃ 纳米线光探测器在不同光功率密度下的 I-t 曲线。(b) 该器件在不同电压下的 I-t 曲线。(c) 光电流随偏压变化的曲线。(d) 254 nm 紫外线单脉冲照射下的时间响应曲线。