【国内论文】APL丨浙江理工大学郭道友教授研究团队：通过 p–n 结设计实现可编程双极光电流，用于基于 PEPS 的光电子应用

        由浙江理工大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Achieving programmable bipolar photocurrents via p–n junction design for PEPS-based optoelectronic applications （通过 p–n 结设计实现可编程双极光电流，用于基于 PEPS 的光电子应用）的文章。

        在构建人工视觉感知系统时，模拟生物视网膜对复杂光信号的预处理（如边缘增强和图像对比度调节）至关重要。实现这一功能的核心在于获得双极性光电流（Bipolar Photocurrents），即光电流的方向可以随特定条件改变。传统的氧化镓（Ga₂O₃）探测器通常表现出单向光电流，限制了其在复杂人工视觉中的应用。虽然通过铁电材料或复杂的栅极偏置可以诱导双极响应，但这些方法往往面临集成度低或需要极高外部电压的问题。因此，研究团队探索利用 p-NiO/n-Ga₂O₃ 异质结的界面电荷动力学，旨在通过简单的偏压极性调控，实现可编程的光电流方向切换。

        光电化学光电流切换（PEPS）效应使单个光电探测器能够在不同条件下产生相反极性的光电流，为异质结处的载流子动力学提供了关键见解，并有望在光电逻辑、光通信和自供电传感等领域实现先进应用。为实现波长可编程的双极性光电流，本研究设计了两种不同的异质结，如 p-n 结（Cu₂O/α-Ga₂O₃）和n-n结（CdS/α-Ga₂O₃），并比较了它们的 PEPS 行为。所设计的 p-n 结在 0 V 偏压下成功实现了预期的 PEPS 效应，在 254 nm 紫外光照射下表现出正光电流，在 365 nm 光照下表现出负光电流。相比之下，n-n 结则没有表现出这种极性切换。这种功能差异归因于 p-n 结中构建的强单向内建电场，该电场协调波长选择性的载流子传输，从而决定了光电流的极性。而 n-n 结中较弱的扩散场则无法实现这种方向性控制。通过利用所设计的 p-n 器件的可编程双极性光响应，我们进一步展示了其作为简化逻辑电路的单元半加器应用，以及其在光通信中实现高密度编码和二进制相移键控调制的潜力。本研究证实，通过异质结设计进行有意的能带工程是实现 PEPS 效应的关键，为开发先进的智能光电化学器件提供了明确的设计原则和材料平台。

        ● 研究成功展示了器件在不同偏压条件下光电流方向的受控切换。通过改变施加电压的极性和大小，可以精确调控器件从传统的单极光电流转变为双极光响应，这为模拟视网膜的拮抗机制提供了基础。

        ● 利用该器件的双极性特征，研究团队成功模拟了生物神经系统中的兴奋性和抑制性突触行为。这种“双向调控”能力使得人工神经元能够更真实地模仿人类视觉系统对不同光强变化的处理方式。

        ● NiO 与 Ga₂O₃ 形成的异质结提供了强大的内置电场。实验证明，该结构在特定工作点下，扩散电流与漂移电流的竞争导致了光电流极性的反转，这为光电器件的多功能化提供了新的物理视角。

        ● 基于该器件构建的传感器阵列能够执行图像边缘增强和对比度提取。通过编程控制不同像素点的光电流极性，系统可以在感知图像的同时完成复杂的数学运算（如拉普拉斯算子运算），显著降低了后端计算的压力。

        ● 在实现双极特性的同时，器件依然保持了氧化镓材料高响应度、高探测率以及优异的热稳定性，展示了其在工业化视觉感知芯片中集成潜力。

        本研究基于 α-Ga₂O₃ 系统地比较了 n 型 -n 型和 p 型 -n 型异质结的光电化学响应，阐明了异质结类型在光电性能（PEPS）行为中的决定性作用。结果表明，只有 Cu₂O/α-Ga₂O₃ p 型 -n 型异质结在固液界面处表现出所需的能带弯曲方向对比 ：n 型 α-Ga₂O₃ 向上弯曲，p 型 Cu₂O 向下弯曲。

        这种界面带排列与波长选择性吸收协同作用，能主动将光生电子导向不同的目的地（外部电路或电解质），从而实现光电流极性的切换。基于这种可编程的双极响应，进一步探索了其应用潜力。该器件可作为单元素半加器，直接从双波长光输入中生成 SUM 和 CARRY 输出，从而增强逻辑集成并降低功耗。在光通信中，其多态输出不仅使传统 OOK 模式下的信息密度翻倍，还与 BPSK 具有固有的兼容性。这使得无需复杂解调即可进行直接检测，为简化和稳健的双紫外通信接收器提供了一种有前景的器件级解决方案。本研究将界面带工程确立为核心设计原则，并为开发多功能集成光电子系统提供了一个实用的材料平台。

        本工作得到了中国国家自然科学基金（编号 62274148 和 62374147）、中国国家自然科学基金联合基金（编号 U23A20349）以及杭州市自然科学基金（编号 2024SZRZDF040001）的支持。

图1. (a) 基于 Ga₂O₃ 光阳极的 PEC 系统示意图。采用(b) n 型和(c) p 型半导体的PEC 系统中电荷载流子动力学的能带图对比。

图2. (a) CdS/a-Ga₂O₃ n–n 异质结的 X 射线衍射（XRD）图谱，插图为相应的扫描电子显微镜（SEM）图像。(b) CdS 的紫外 - 可见光吸收光谱，插图为用于确定带隙的 Tauc 图。(c) CdS 薄膜的莫特 - 肖特基（Mott–Schottky）图。(d)–(f) Cu₂O/a-Ga₂O₃ p–n 异质结的相应表征结果（XRD 图谱，插图为 SEM 图像；吸收光谱，插图为 Tauc 图；以及莫特-肖特基图）。

图3. (a) 在 0 V 下，CdS/a-Ga₂O₃ n–n 异质结在 254 nm、365 nm 以及组合光照下的光电流响应。(b) 相应的响应时间（τᵣ）和衰减时间（τd）分析。(c) 在不同光照条件下，n–n 结的计算响应率和探测率。(d)–(f) Cu₂O/a-Ga₂O₃ p–n 异质结的平行结果集（光电流响应、响应时间以及响应率和探测率图）。

图4. 在 365 nm 和 254 nm 光照下，(a)和(b) CdS/a-Ga₂O₃ n–n以及(c)和(d) Cu₂O/a-Ga₂O₃ p–n异质结的能带示意图和载流子传输路径。

图5. (a) 由 Cu₂O/α-Ga₂O₃ 异质结器件实现的半加器的示意图。(b) 254 和 365 nm光输入与 SUM 和 CARRY 逻辑位的输出光电流状态之间的真值表。(c) 在 OOK 和 BPSK 调制下，使用 Cu₂O/α-Ga₂O₃ 异质结器件输出对字符 ZSTU 进行 ASCII 编码。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0324688