【会员论文】武汉纺织大学何云斌教授联合湖北大学：基于溶胶 - 凝胶法合成的 NiO/Sn:Ga₂O₃ p-n 结的高性能自驱动紫外光探测器

        日盲紫外光电探测器在火灾监测、电晕检测、军事预警等领域具有重要应用价值，Ga₂O₃ 凭借超宽禁带与高稳定性成为日盲紫外光电探测器理想候选材料。传统高性能 Ga₂O₃ 器件多依赖真空沉积、气相外延等复杂工艺，成本高、规模化制备难度大；且本征 Ga₂O₃ 载流子浓度低，p-n 结内建电场较弱，导致自驱动器件的响应度与探测率难以满足实际需求。目前，采用低成本溶胶 - 凝胶工艺、通过 Sn 掺杂调控载流子浓度与异质结内建电场，以实现高性能自驱动紫外探测的研究仍较为缺乏，器件性能与制备成本之间的矛盾尚未得到有效解决。

        Ga₂O₃ 基自驱动日盲紫外（SBUV）光电探测器因其在军事、民用和工业领域的广阔应用前景而备受关注。然而，传统高性能 Ga₂O₃ 光电探测器的制备工艺通常较为复杂且成本高昂，严重限制了其实际应用。该团队采用低成本溶胶 - 凝胶法制备了高性能 NiO/Sn:Ga₂O₃ p-n 结日盲紫外光电探测器。器件在零偏压下表现出优异的光电流响应，对 240 nm波长日盲紫外光实现 47.89 mA/W 的响应度（R）与 4.60 ×10¹¹ Jones 的探测率（D*），性能显著高于 单层Ga₂O₃ 器件（R=7.91 mA/W，D*=0.61 ×10¹¹ Jones）与 NiO/Ga₂O₃ 器件（R=19.36 mA/W，D*=2.61 ×10¹¹ Jones）。在弱光光照下（P₂₅₅nm=0.53 μW/cm²），NiO/Sn:Ga₂O₃ 日盲光电探测器的响应度与探测率分别达到 150.6 mA/W 与 1.33 ×10¹² Jones，优于多数已报道的 NiO/Ga₂O₃ 基光电探测器。该超高性能归因于 NiO/Sn:Ga₂O₃ p-n 结界面增强的内建电场与 Sn:Ga₂O₃ 层改善的电学输运特性。本研究为开发低成本、高性能 Ga₂O₃ 基自驱动紫外光电探测器提供了可行方案。

        •采用低成本溶胶 - 凝胶法制备高性能自驱动 NiO/Sn:Ga₂O₃ p-n 结日盲紫外光电探测器。

        •零偏压下对240 nm波长光实现 47.89 mA/W 响应度与 4.60 ×10¹¹ Jones 探测率。

        •在弱光光照下实现 150.6 mA/W 与 1.33 ×10¹² Jones 的超高性能。

        •通过 Ga₂O₃ 的 Sn 掺杂增强 NiO/Sn:Ga₂O₃ 界面内建电场。

        •为高性能 Ga₂O₃ 基自驱动光电探测器提供低成本可行策略。

        该团队采用低成本溶胶 - 凝胶法制备了高性能自驱动 NiO/Sn:Ga₂O₃ p-n 结紫外光电探测器。器件在零偏压、240 nm 光照下实现 47.89 mA/W 响应度、4.60 ×10¹¹ Jones 探测率与快速响应（τᵣ/τ_d = 0.251 s/0.245 s）。在 255 nm 弱光光照（0.53 μW/cm²）下，响应度与探测率进一步提升至 150.6 mA/W 与 1.33 ×10¹² Jones。这些性能参数（R、D*、τᵣ/τ_d）显著优于多数已报道的先进 NiO/Ga₂O₃ 基光电探测器。得益于简单、低成本、可规模化的制备工艺，该工作为开发高性能、自驱动紫外光电探测器提供了实用且可扩展的策略。

        本研究得到国家自然科学基金（批准号：62274057、52202132、11975093）、湖北省高等学校科技创新团队计划（批准号：T201901）、湖北省国际科技合作项目（批准号：2025EHA006）与武汉市科技创新局项目（批准号：2024040801020306、2025011202030396）资助。

图 1. （a）FTO 玻璃衬底、Ga₂O₃/FTO、Sn:Ga₂O₃/FTO 与 NiO/Sn:Ga₂O₃/FTO 薄膜的 XRD 图谱；（b）NiO、Ga₂O₃、Sn:Ga₂O₃、NiO/Ga₂O₃ 与 NiO/Sn:Ga₂O₃ 异质结薄膜的透射光谱；（c）NiO、Ga₂O₃ 与 Sn:Ga₂O₃ 薄膜的 (αhν)²-hν 曲线；（d−f）Ga₂O₃/FTO、Sn:Ga₂O₃/FTO 与 NiO/Sn:Ga₂O₃/FTO 薄膜的 AFM 表面形貌图。

图 2. （a）NiO/Sn:Ga₂O₃/FTO 多层薄膜的截面 TEM 图与（b）EDS 元素面扫图；（c）NiO/Sn:Ga₂O₃ 界面的 HRTEM 图；（d,e）NiO 与（h,i）Sn:Ga₂O₃ 薄膜的 HRTEM 图及对应 FFT 图，（f,g）与（j,k）分别为 NiO 和 Sn:Ga₂O₃ HRTEM 图中虚线框区域的放大图。

图 3. （a）NiO 与 Sn:Ga₂O₃ 薄膜的 XPS 全谱；（b）Ni 2p 与（c）O 1s 高分辨 XPS图谱及拟合结果。

图 4. Ga₂O₃、NiO/Ga₂O₃与NiO/Sn:Ga₂O₃器件的（a−c）结构示意图、（d−f）J−V 曲线（插图为对应半对数图）、（g−i）光电流响应与（j−l）单周期 I−t 曲线。J−V 曲线在暗态下测试，光电流响应与单周期 I−t 曲线在255 nm入射光照、零偏压下测试获得。

图 5. Ga₂O₃、NiO/Ga₂O₃ 与 NiO/Sn:Ga₂O₃ 器件的（a）光谱响应度与（b）探测率；NiO/Sn:Ga₂O₃ 器件的（c）多周期I-t曲线、（d）光电流（Iph）及其拟合、响应度（R）与探测率（D*）随光功率密度的变化。

图 6. （a）NiO 与（b）Ga₂O₃、Sn:Ga₂O₃ 薄膜的 UPS 谱；（c）NiO、Ga₂O₃ 与 Sn:Ga₂O₃ 薄膜的能带结构；（d）Ga₂O₃、（e）NiO/Ga₂O₃ 与（f）NiO/Sn:Ga₂O₃ 器件的能带图。

DOI：

doi.org/10.1021/acsaelm.6c00148