【国内论文】材料科学顶刊！内蒙古工业大学：通过Ga/Zn互掺杂实现界面调谐的理论研究：Ga₂O₃/ZnO 异质结中的作用机制

        由内蒙古工业大学的研究团队在学术期刊 Chemical Engineering Journal 发布了一篇名为 Theoretical study on interfacial tuning via Ga/Zn mutual cation doping: Mechanism in Ga₂O₃/ZnO heterojunctions（通过 Ga/Zn 互掺杂实现界面调谐的理论研究：Ga₂O₃/ZnO 异质结中的作用机制）的文章。

        Chemical Engineering Journal 是工程技术与化学化工领域最有影响力顶级刊物之一，其主要目的是及时快速地报道工程领域化学反应工程、环境化学工程及材料合成应用等方面重要的科学研究成果和创新技术。作为国际顶级刊物在中国知晓度极高，在2025年中科院分区中为材料科学大类1区（Top期刊），五年影响因子为13.5。

        本研究得到国家自然科学基金（Grant No. 12164031）、内蒙古自治区自然科学基金（Grant No. 2023LHMS01004，NJZY22376，JY20250043）的支持。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带（约4.9 eV），在日盲紫外探测领域具有巨大应用潜力。然而，β-Ga₂O₃ 材料在制备过程中不可避免地会产生本征氧空位（V_O）缺陷。 这些氧空位会形成深受主能级，俘获空穴，充当载流子复合中心，并阻碍载流子输运，从而严重限制了器件的性能，如导致响应速度慢和暗电流大等问题。构建异质结是一种有效的性能提升策略，其中 ZnO/β-Ga₂O₃ 因其良好的能带匹配而备受关注。界面工程，特别是通过在界面处进行相互掺杂，有望调控异质结的能带结构和电荷输运特性，从而抑制氧空位带来的负面影响。本研究系统性地探究了 g-ZnO/β-Ga₂O₃ 异质结的光电特性。特别探讨了通过引入 V_O、Ga_Zn 和 Zn_Ga 等本征缺陷调控异质结光电行为的机理。该掺杂策略成功制备出性能增强的异质结光电子器件，为设计高效光电子系统奠定了理论基础。

        β-Ga₂O₃ 的超宽带隙特性使其非常适合用于日盲紫外线检测。然而，其固有的氧空位（V_O）会作为复合中心阻碍载流子传输，从而限制其性能表现。证明通过调控 Ga_Zn（Ga→Zn）和 Zn_Ga（Zn→Ga）掺杂的 g-ZnO/β-Ga₂O₃ 异质结可缓解这些限制。Ga_Zn 掺杂可降低 g-ZnO 的 n 型导电性、减小肖特基势垒高度并增强介电响应；而 Zn_Ga 掺杂则能提升 β-Ga₂O₃ 的 n 型导电性并降低界面势垒，最终实现 80.8% 的隧道概率、增强电荷转移效率，并使迁移率提升了约 7 倍。共掺杂通过最高占据分子轨道电子与价带空穴复合建立 S 型电荷转移路径，相较未掺杂结构显著提升导电性。该异质结构在 200-300nm 波段展现出强紫外吸收特性，同时响应度显著提升。这些成果为高性能 β-Ga₂O₃ 光探测器提供了掺杂策略，尤其适用于要求快速响应时间和低暗电流的日盲应用领域。

        ● 界面屏障控制（Φ_B↓）抑制 V_O 复合。

        ● 新型 S 通道载流子注入机制。

        ● 日盲区高速紫外检测。

        本研究阐明了氧空位（V_O）和掺杂剂（Ga_Zn、Zn_Ga）在调节 g-ZnO/β-Ga₂O₃ 异质结光电特性中的关键作用。氧空位引入的中间能隙态阻碍载流子分离，而Ga/Zn掺杂则有效调节费米能级并改变内建电场，从而降低界面势垒并增强电荷传输。值得注意的是，g-ZnO-V_O:Ga_Zn/β-Ga₂O₃-V_O 体系形成欧姆接触，实现载流子无阻碍流动。相比之下，g-ZnO-V_O:Ga_Zn/β-Ga₂O₃-V_O:Zn_Ga 结构则形成 S 型异质结，促进高效电荷分离。这些发现凸显了缺陷工程在优化界面特性方面的潜力，为设计高性能自供电日盲光探测器提供了重要启示。

图1 模型：(a) 结晶 ZnO，(b) (100) β-Ga₂O₃，(c) 结晶 ZnO/β-Ga₂O₃ 异质结，(d) 含 V_O 的 Ga_Zn 掺杂结晶 ZnO，(e) 含 V_O 的 Zn_Ga 掺杂(100) β-Ga₂O₃。

图2 (a) 所研究表面模型的能带结构与 (b) 费米能级，(c) 所研究异质结模型的势垒高度 φ_B 与 (d) 能带结构。

图3 (a) 预测数据观测量 (b) 预测误差概率密度函数。

图4 (a) 隧道概率 T_B 与势垒宽度 W_B，(b) 能带偏移，(c) 电荷分布，(d) 和 (e) 所研究模型的巴德电荷分布。

图5 (a) [100] 和 (b) [010] 的吸收光谱，(a) 实部和 (b) 虚部的介电常数。

图6 g-ZnO-V_O:Ga_Zn/β-Ga₂O₃-V_O1:Zn_Ga2 异质结中的电荷转移过程。

DOI：

doi.org/10.1016/j.cej.2025.168841