【会员论文】APL丨南邮唐为华教授联合香港科技大学（广州）陈子强教授团队：基于 Ti₃C₂Tₓ MXene/α-Ga₂O₃异质结的高性能日盲紫外光探测器

        由南京邮电大学唐为华教授、香港科技大学（广州）陈子强教授联合西安交通利物浦大学、香港科技大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 High-performance solar-blind UV photodetector based on Ti₃C₂Tₓ MXene/α-Ga₂O₃ heterojunction（基于 Ti₃C₂Tₓ MXene/α-Ga₂O₃ 异质结的高性能日盲紫外光探测器）的文章。

        日盲紫外探测在军事安防、环境监测等领域至关重要，α-Ga₂O₃ 因超宽禁带成为理想候选材料。将二维 MXene 与 α-Ga₂O₃ 构筑异质结，可借助界面内建电场提升载流子分离效率。但目前 Ti₃C₂Tₓ 与亚稳态 α-Ga₂O₃ 的异质结研究极少，难以满足高性能、低功耗器件的发展需求。

        二维 MXene 与超宽禁带半导体的集成可为高性能光电子学提供全新路径。然而，Ti₃C₂Tₓ 与带隙宽于常规 β 相的亚稳态刚玉型 α-Ga₂O₃ 的耦合研究仍十分缺乏。该团队通过雾化化学气相沉积（mist-CVD）与喷涂工艺制备了基于 Ti₃C₂Tₓ MXene/α-Ga₂O₃ 异质结的高灵敏度日盲紫外光探测器。器件展现出优异的光电性能，在 254 nm 光照下实现了 31.1 mA/W 的高光响应度与 0.41 pA 的超低暗电流。性能提升源于 MXene 与 α-Ga₂O₃ 界面形成高质量肖特基结，功函数差异产生内建电场，促进光生载流子高效分离。该结构的响应度优于现有最优的 α-Ga₂O₃ 基光探测器，证明 Ti₃C₂Tₓ/α-Ga₂O₃ 异质结构是下一代低功耗深紫外探测应用的理想选择。

        ●首次实现 Ti₃C₂Tₓ MXene 与亚稳态 α-Ga₂O₃ 的异质结构建，并应用于高性能日盲紫外光探测器。

        ●采用无真空、可规模化的 mist-CVD 与喷涂工艺完成器件制备，工艺简便且适合量产。

        ●异质结界面形成强内建电场，显著提升载流子分离效率，实现 31.1 mA/W 高响应度。

        ●器件实现 0.41 pA 超低暗电流与 1.92×10¹³ Jones 超高比探测率，综合性能优于同类 Ga₂O₃ 基探测器。

        ●器件在室温大气环境下放置 30 天仍保持稳定光电响应，具备优异的环境稳定性。

        该团队成功将喷涂法制备的 Ti₃C₂Tₓ MXene 与 mist-CVD 生长的 α-Ga₂O₃ 集成，制备出高性能日盲紫外光探测器。器件展现出稳定的光响应行为与优异的光电性能，在 -5 V 偏压下暗电流低至 0.41 pA，光响应度高达 31.1 mA/W。材料间显著的功函数差异诱导形成具有强内建电场的肖特基结，实现光生载流子高效分离。该器件在相似低电压条件下的响应度优于其他 α-Ga₂O₃ 基光探测器。该研究结果证明 MXene/α-Ga₂O₃ 界面是下一代深紫外探测的理想选择，为低功耗、高灵敏度光电子系统的发展提供了可行路径。

        本研究得到香港科技大学（广州）C. K. Tan 教授科研启动基金；广州市科技计划项目（编号：2023A03J0003、2023A03J0013、2023A04J0310、2023A03J0152）；广东省教育厅项目（编号：2024ZDZX1005）；国家外国专家局项目（编号：Y20240005）；国家重点人才工程入选者配套基金（编号：CZ118SC24007）；国家重大人才工程（编号：CZ118SC25005）；优秀青年科学基金（海外）（编号：RK118QN24006、RK118QN25006）资助。本研究同时得到香港科技大学（广州）材料表征与制备平台（MCPF）及绿色材料实验室的支持。

图 1. 采用紫外‑可见系统测试的 α‑Ga₂O₃（a）与 MXene/α‑Ga₂O₃（b）的透光率（T%），c 面蓝宝石上氧化镓薄膜的 XRD 图谱及 JCPDS 标准卡片（c）。

图 2. α‑Ga₂O₃ 薄膜表面 SEM 图（a）、沉积的 MXene 薄膜 SEM 图（b）、MXene/α‑Ga₂O₃ 表面与界面 AFM 图（c）及高度剖面图（d）。

图 3. MXene/α‑Ga₂O₃ 光探测器结构示意图（a）、MXene/α‑Ga₂O₃ 异质结能带图（b）；MXene/α‑Ga₂O₃ 异质结光电性能：暗态与 254 nm 紫外光照下的典型 I–V 曲线（c）、光响应度（d）、5 V 偏压下探测器响应时间（e）与 −5 V 偏压下探测器响应时间（f）。

图 4. 254 nm 光照下不同偏压时 MXene/α‑Ga₂O₃ 异质结的光响应（a）；254 nm 光照下新鲜制备器件与大气暴露 30 天后器件的时间分辨光响应对比（b）。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0323532