【国内论文】EEM丨长春理工大学：叠层Ga₂O₃/ZnO光伏单元的瞬态充电动力学对波长选择性极性切换的调控

        由长春理工大学的研究团队在学术期刊 Energy & Environmental Materials 发布了一篇名为 Transient Charging Dynamics in Stacked Ga₂O₃/ZnO Photovoltaic Units Governing Wavelength-Selective Polarity Switching（叠层 Ga₂O₃/ZnO 光伏单元的瞬态充电动力学对波长选择性极性切换的调控）的文章。

        Energy & Environmental Materials（EEM） 是一本由 Wiley 出版的国际英文学术期刊，聚焦能源材料与环境材料领域的前沿研究，致力于发表在能源转化、能源存储及环境治理等方向具有原创性和应用潜力的高水平成果。期刊强调材料科学在可持续能源与环境技术中的核心作用，覆盖电池与储能材料、光伏与光电材料、电催化与光催化、环境催化与污染治理材料，以及新型功能氧化物和低维材料等交叉方向，注重机制理解、性能突破与器件层面研究的结合，是能源与环境交叉领域具有较高国际影响力（影响因子：13.4）的顶级期刊之一。

        下一代光子技术涵盖智能传感、光计算和安全通信，正推动光电子器件实现范式转变。从传统信号感知转向原位信息处理，即所谓的传感器内计算。这一变革的核心在于要求器件本身能够直接解析和处理多维光学信息——涵盖光谱域、时间域和偏振域。然而，当前大多数光探测器架构仍停留在“单模态”阶段，仅能响应单一维度：光强度。这种架构限制迫使复杂处理任务转移至后续电子电路，从而产生固有的延迟与功耗瓶颈。因此，开发能在物理器件层面直接处理多维光信号的新型光子架构，已成为该领域至关重要的前沿挑战。

        氧化镓（Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体，是日盲紫外（200–280 nm）探测的理想材料。传统的自供电探测器通常只能产生单一方向的电流信号，难以区分复杂的光谱信息，且缺乏对光信号进行逻辑处理的能力。如果一个器件在不同波长的光照下能产生“正”和“负”两种极向的电流，它就可以像逻辑门一样进行“0/1”或“正/负”运算，这对光子计算和高度安全的加密通信至关重要。

        开发能够处理多维光信号的自供电光探测器，对下一代光子计算和安全通信至关重要。然而，传统器件架构通常仅限于单模强度检测，且耦合光伏单元内部复杂的光物理机制仍未被充分理解。本文揭示了垂直堆叠式自供电 Ga₂O₃/PEDOT:PSS 与 ZnO/石墨烯结构中统一的“光伏-电容”耦合机制。实验证实该系统的波长选择性瞬态双极响应，由两个耦合单元间多维度的充放电动力学共同调控。该机制的关键在于 ZnO/石墨烯（3D/2D）界面，我们将其定义为新型“光伏动态电容器”（PDC）组件，展现出明确的四阶段瞬态响应（瞬时极化、稳态饱和、反向放电及松弛）。该架构使 Ga₂O₃ 单元（光伏源）能在 270 nm 光照下动态充电PDC（+0.27 A/W），而 380 nm 光照则直接激活 PDC 本身，产生反向电流（–0.009 A/W）。这种通用型（经 MgZnO 验证）且动态耦合的架构，为自供电多维光处理开辟了全新范式。利用该独特特性，基于创新的三元光逻辑（“1”、‘0’、“-1”）实现物理层安全通信协议，依托新型光子自由度赋予增强的抗干扰能力。

        本研究阐明了堆叠式自供电光伏器件中波长选择性瞬态双极响应的内在物理机制。我们证明这种复杂行为并非简单的稳态竞争，而是由统一的“光伏-电容”耦合机制所支配。该机制的发现得益于对 ZnO/石墨烯三维/二维界面作为新型 PDC 的根本性定义——其独特的四阶段充放电动力学是整个系统运作的关键。实验验证表明：Ga₂O₃ 光伏“源”动态驱动 PDC“负载”充电（正向电流），而PDC自激活时则产生反向电流（负向电流）。经 MgZnO 替代验证的“光伏-电容”耦合模型，已确立为普适原理，从根本上颠覆了多结器件的设计范式——突破静态能带对齐的局限，迈向瞬态动态控制的光子逻辑领域。成功实现三元（“1”、‘0’、“-1”）光学逻辑用于物理层安全通信，直接验证了这项新能力。这项工作为设计自供电多维光子处理器开辟了新途径，可在传感器层面并行处理光谱与时间信息。

        本研究得到吉林省科技发展计划项目（YDZJ202401562ZYTS）的支持。

图1. (a) ITO-PET/ZnO/石墨烯器件示意图。(b) 器件截面图及 (c) 平面扫描电子显微镜图像。(d) 裸 ITO-PET 基板与 ITO-PET/ZnO 样品的吸收光谱，(e) X 射线衍射图谱。(f) ITO-PET/ZnO/石墨烯器件的 I-t 特性曲线。

图2. (a) ITO-PET/ZnO/石墨烯器件的三种不同照明配置（PD-1 至 PD-3）示意图。(b) 该器件在三种配置下的 I-t 曲线及 (c) 对应响应度（测量波长范围 280 nm 至 380 nm）。(d) 350–425 nm 波段响应度的放大视图。

图3. (a) 原始 ZnO 薄膜与 ZnO/石墨烯异质结的稳态光致发光谱；(b) 瞬态光致发光衰减曲线。(c) 器件在 0.5 Hz 脉冲频率下响应 365 nm 光照的电流-时间响应曲线。(d) 经平滑处理的电流-时间曲线，详细展示单个响应周期。(e) ZnO/石墨烯 PDC 单元工作机制示意图，详细展示 I-II 阶段（受光照）与 III-IV 阶段（光照关闭状态）。

图4. (a) ITO-PET/Ga₂O₃/PEDOT:PSS 器件示意图。(b) 截面扫描电子显微镜图像与(c)平面扫描电子显微镜图像。(d) Ga₂O₃ 薄膜透射电子显微镜衍射图。(e) 吸收光谱。(f) 光谱响应度。(g) I-t 特性曲线。(h) 器件工作原理示意图。(e) 吸收光谱。(f) 光谱响应度。(g) I-t 特性曲线。(h) I-V 特性曲线。(i) 器件工作原理示意图。

图5. (a) 垂直堆叠（背靠背）复合器件示意图。(b) 光谱响应曲线。(c) 270 nm 至 380 nm 波段测得的 I-t 特性曲线。(d) 不同波段下 I-t 响应形态演变示意图。(e) 暗态下测得的 I-V 特性曲线。

图6. 复合结构在不同紫外激发波长下产生正负光电流的机理：（a）270 nm 照射；（b）380 nm 照射。(c) 采用 ITO-PET/MgZnO/PEDOT:PSS 与 ITO-PET/ZnO/石墨烯制备的复合器件的光谱响应曲线，验证该机制的普适性。

图7. (a) 三元加密编码方案示例。(b) 完整光通信系统示意图。(c) 输入信号、双极光电探测器对应输出信号及信息解码过程示意图。

DOI：

doi.org/10.22541/au.176850563.39331966/v1