【国内论文】JAC丨西北大学：基于 Ga₂O₃/NiO 核壳异质结的柔性自供电光电化学日盲探测器

        由西北大学的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为Flexible self-powered photoelectrochemical solar-blind light detector based on Ga₂O₃/NiO core-shell heterojunctions（基于 Ga₂O₃/NiO 核壳异质结的柔性自供电光电化学日盲探测器）的文章。

        近年来，柔性日盲紫外光电探测器逐渐成为研究与工业关注的焦点。基于 α-Ga₂O₃ 纳米棒阵列的深紫外光电化学探测器因宽禁带、高效探测区间与简易制备工艺在光电子领域备受关注。传统氧化镓基 PEC 器件中，半导体与电解质间的载流子泄漏导致复合，限制响应度，严重阻碍探测器实际应用。日盲紫外（200–280 nm）在地表几乎被大气完全吸收，背景干扰极低，在导弹预警、火焰检测、臭氧监测、保密通信等领域应用广泛。自供电 PEC 器件无需外部偏压，依靠光电效应自驱动，具有响应快、工艺简单、成本低、可重复、环保等优势。Ga₂O₃ 作为第三代半导体，是天然日盲探测材料，但柔性 Ga₂O₃ 基 PEC 型自供电探测器研究仍较少。

        本研究采用简化水热法结合磁控溅射，在柔性金属钛基底上制备具有 NiO 核壳结构的 α-Ga₂O₃ 纳米棒阵列。所制备的 NiO 修饰 α-Ga₂O₃ 光电探测器在 254 nm 处表现出自供电光响应特性，零偏压下光电流密度达 46.62 μA/cm²，响应度 15.54 mA/W，较纯 Ga₂O₃ 提升三倍；探测率达 13.79×10⁹ Jones。性能提升源于 α-Ga₂O₃ 与 NiO 形成的 II 型异质结，有效抑制载流子复合。柔性弯曲与重复测试验证了探测器优异的柔韧性与稳定性。本研究凸显了 Ga₂O₃ 基 PEC 光电探测器在未来日盲探测应用中的巨大潜力，为制造高性能柔性日盲辐射探测器提供新途径。

        ●首次在柔性钛基底上构建 α-Ga₂O₃/NiO 核壳异质结，实现自供电日盲光电化学探测。

        ●构筑II型异质结，显著抑制载流子复合，响应度较纯 Ga₂O₃ 提升 3 倍。

        ●器件兼具优异柔性与机械稳定性，弯曲后性能保留率达 80%。

        ●制备工艺简单（水热+磁控溅射），成本低，适合大面积制备。

        总之，本研究开发了一种柔性、自供电、日盲紫外光电化学探测器。通过水热与磁控溅射工艺，在柔性Ti基底上成功制备 α-Ga₂O₃/NiO 核壳异质结纳米棒阵列。结果表明，NiO 修饰显著提升 α-Ga₂O₃ 纳米棒阵列的日盲探测性能。在 254 nm 波长、0 V偏压下，响应度达 15.54 mA/W，探测率达 12.58×10⁹ Jones，较原始器件大幅提升。性能提升源于 α-Ga₂O₃/NiO 异质结处形成的内建电场，促进光生载流子在界面处分离与定向输运。器件保持优异的柔韧性与稳定性，最优样品在柔性弯曲测试后光电流与响应度保留 80%。本研究为制备柔性 Ga₂O₃ 基日盲光电探测器提供新方法。

        本研究得到陕西省自然科学基金（2023-JC-YB-015）、陕西省重点研发计划项目（2022GY-356）、陕西高校青年创新团队、陕西省自然科学基础研究重大计划（No. 2021JCW-19）、西北大学 2024 年研究生创新项目 CX2024144 资助。

图 1 Ga₂O₃/NiO 复合结构光探测器的制备流程图

图 2 (a–c) Ga₂O₃、GN15 和 GN30 样品的 SEM 图；(d–f) GN30 样品的 mapping 图；(g–h) GN30 的 TEM 图；(i) GN45 的 SEM 图

图 3 (a) 基底及 Ga₂O₃、GN15、GN30、GN45 样品的 XRD 图谱；(b) 不同样品的吸收光谱

图 4 (a) Ga 2p 精细谱；(b) 异质结中 Ga 2p 精细谱；(c) Ni 2p 精细谱；(d) 异质结中 Ni 2p 精细谱；(e) Ga₂O₃ 的 XPS 全谱；(f) NiO 的 XPS 全谱

图 5 (a) 测试系统结构图；(b) Ga₂O₃、GN15、GN30、GN45 的 J-t 图；(c) GN30 样品的瞬态响应时间；(d) 电流密度随溅射时间变化曲线

图 6 (a) 和 (c) 复合样品在不同弯曲半径下的示意图；(b) 和 (d) GN30 样品分别在 1.8 cm (30°)、1.9 cm (60°) 弯曲及 3.8 cm (30°) 弯曲 100、200 次后的 J-T 图

图 7 (a) Ga₂O₃、GN15、GN30、GN45 的响应度 R 和探测率 D*；(b) GN30 样品在 30°、60° 弯曲下的响应度 R 和探测率 D*；(c) GN30 样品在 30° 弯曲 100、200 次后的响应度 R 和探测率 D*；(d) Ga₂O₃ 及复合样品的长期稳定性测试；(e) Ga₂O₃ 和 GN30 日盲探测器的电化学阻抗谱 (EIS)；(f) 对应放大图

图 8 (a–b) Ga₂O₃ 的紫外光电子能谱；(c–d) NiO 的紫外光电子能谱；(e) Ga₂O₃ 的价带顶 (VBM)；(f) NiO 的价带顶 (VBM)；(g–h) 暗态与紫外光照下的能带图；(i) 用于评估 α-Ga₂O₃和 α-Ga₂O₃/NiO PEC 型探测器在 Na₂SO₄ 电解液中光响应行为的自组装三电极 PEC 测试系统

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.188191