【国际论文】MTN丨孟加拉工程技术大学、悉尼科技大学：界面工程赋能多功能光电器件！ZnVO₂/CdO-Ga₂O₃异质结实现自驱动紫外探测与可见光发光

        由孟加拉工程技术大学、悉尼科技大学联合研究团队在学术期刊 Materials Today Nano 发布了一篇名为 Interface-engineered ZnVO₂ nanowire/CdO–Ga₂O₃ heterophase junctions for self-powered UV photodetection and defect-mediated visible luminescence （界面改性 ZnVO₂ 纳米线/CdO–Ga₂O₃ 异质结用于自驱动紫外光电探测及缺陷调控可见光发光）的文章。

        传统光电器件功能单一，将透光、光电探测、发光多种功能单片集成仍是行业难题。目前光电探测器、发光二极管均为分立器件，整套系统结构复杂、体积庞大。氧化镓具备紫外吸收与发光双重潜力，但单一氧化镓器件性能受限；CdO 掺杂可缩小氧化镓带隙、增强可见光发射，VO₂ 导电性优异，Zn 掺杂可同步提升透光率与导电能力。现有异质结制备多依赖昂贵外延设备、严苛真空环境，且多数氧化物探测器仅能实现光电检测，吸收的紫外光能以热损耗形式浪费，无法二次利用。

        n-n 同型异质结可实现宽光谱探测，但鲜有研究利用界面缺陷将闲置光能转化为可见光输出。本文采用简易喷雾热解法制备 ZnVO₂ 纳米网络与 CdO-Ga₂O₃ 异相薄膜构筑半透明同型异质结，仅单一紫外激发源即可同时实现透光、光电探测、发光三种功能。通过 Mott-Schottky、XPS 表征界面能带结构，解析内建电场载流子分离机制，探究界面氧空位诱导橙光发射机理，为集成传感、防伪多功能光电器件提供低成本氧化物纳米结构方案。

        传统光电器件功能与性能受限，仅能实现单一分立应用，在单器件中集成多种功能仍存在巨大挑战。本工作将自组装 Zn 掺杂 VO₂（ZnVO₂）纳米线网络与结晶 CdO-Ga₂O₃ 异相薄膜构筑半透明自驱动 ZnVO₂/CdO-Ga₂O₃ 同型异质结，通过结界面调控，仅采用单一激发光源即可同步实现透光、光电探测、发光多重功能。CdO-Ga₂O₃ 异相薄膜具备高达 1.6×10⁵ cm⁻¹ 的吸收系数，可高效产生光生载流子并发生复合；ZnVO₂ 纳米线网络透光率可达 85%，为载流子收集提供低阻通路，大幅提升光电流输出。该异质结整体透光率为 62%，透过器件可清晰观测外部景物。该半透明异质结具备整流特性，可实现零偏自驱动光电探测，响应速度 60 ms，探测率高达 6.2×10¹¹ Jones。器件在自驱动探测过程中可产生肉眼可见的明亮橙光，瞬态光致发光测试证实该橙光来源于界面氧空位，载流子衰减寿命长达 17.2 μs。Mott-Schottky 与 X 射线光电子能谱测试表明，异质结界面形成 2.1 eV 的价带偏移与 5.1×10⁶ V/m 内建电场，可高效分离光生载流子，实现无外加偏压探测。该金属氧化物纳米异质结可作为多功能光电平台，应用于带可见光读出的紫外传感、防伪与集成光子器件领域。

        采用低成本喷雾热解法制备 ZnVO₂ 纳米线/CdO-Ga₂O₃ 同型异质结，无需真空外延工艺，器件整体半透明（62% 透光率）；

        单紫外光源同步实现透光、自驱动紫外探测、肉眼可见橙光发射三重功能，将探测损耗光能转化为可见光信号读出；

        异质结界面形成 2.1 eV 价带偏移、5.1×10⁶ V/m 强内建电场，零偏下探测率达 6.2×10¹¹ Jones，上升时间仅 60 ms；

        证实界面氧空位是橙光发光中心，发光衰减寿命 17.2 μs，探测与发光动力学分离互不干扰；

        全氧化物纳米结构，兼具紫外传感与防伪发光双重应用，兼容智能窗、钙钛矿太阳能电池等光电器件。

        本文报道一种多功能金属氧化物基 ZnVO₂ 纳米线/CdO-Ga₂O₃ 异质结，可同步实现自驱动紫外光电探测与界面缺陷诱导橙光发射。结构与化学表征证实薄膜中立方 CdO 与单斜 β-Ga₂O₃ 两相共存，成功结晶形成 CdO-Ga₂O₃ 异相材料，Zn 掺杂 VO₂ 为单斜晶型。CdO-Ga₂O₃ 薄膜具备强紫外吸收能力，可大量产生载流子并发生复合；ZnVO₂ 纳米线网络提供低阻输运通道，利于载流子收集，器件整体透光率可达 62%。该异质结具备整流特性，可零偏自驱动工作，响应度 0.5 A/W，探测率 6.2×10¹¹ Jones；器件处于探测工作状态时可发出肉眼清晰可见的明亮橙光。X 射线光电子能谱与 Mott-Schottky 测试表明，异质结界面形成 0.28 eV 内建电势与 2.1 eV 价带偏移，可高效分离电荷，实现零偏高压电流输出。光致发光测试证实界面氧空位是橙光发光来源，载流子衰减寿命长达 17.2 μs。该异质结的多功能特性可用于光电传感器、防伪器件、智能光伏窗以及集成光子器件的开发。

图 1 ZnVO₂ 与 CdO-Ga₂O₃ 薄膜的形貌与晶体结构。(a)CdO-Ga₂O₃ 薄膜扫描电镜图，球状晶粒均匀分布；(b)ZnVO₂ 薄膜扫描电镜图，由随机分布纳米线构成网络；(c)取自网络的 ZnVO₂ 纳米线透射电镜图，插图为 ZnVO₂ 纳米线高分辨透射电镜图，可见清晰晶格条纹；(d) CdO-Ga₂O₃ 薄膜的 Ga 2p、Cd 3d 自旋轨道分裂谱；(e) ZnVO₂ 的 Zn 2p、V 2p X 射线光电子能谱；(f) ZnVO₂ 与 CdO-Ga₂O₃ 薄膜的 X 射线衍射图谱

图 2 (a)ZnVO₂ 纳米线网络、CdO-Ga₂O₃ 薄膜与 ZnVO₂/CdO-Ga₂O₃ 异质结的紫外-可见透过光谱，纳米线、薄膜、器件透光率分别为 85%、52%、62%；(b)异质结实物照片，透过薄膜可清晰看到后方花朵图案

图 3 ZnVO₂ 纳米线与 CdO-Ga₂O₃ 薄膜光学带隙测定。(a)吸收系数随波长变化曲线，CdO-Ga₂O₃ 薄膜吸收系数约为 ZnVO₂ 的一个数量级；(b) Tauc 拟合图，分别得到 ZnVO₂ 带隙 0.7 eV、CdO-Ga₂O₃ 带隙 3.04 eV

图 4 ZnVO₂ 纳米线与 CdO-Ga₂O₃ 薄膜电学特性。(a) ZnVO₂ 薄膜 Mott-Schottky 曲线；(b)CdO-Ga₂O₃ 薄膜 Mott-Schottky 曲线，线性外推得到二者平带电位分别为 0.63 V、0.40 V，由曲线斜率计算载流子浓度分别为 1.2×10¹⁸ cm⁻³、1.65×10¹⁷ cm⁻³

图 5 ZnVO₂/CdO-Ga₂O₃ 自驱动异质结电学与探测性能。(a)该异质结结构示意图；(b)异质结电流-电压曲线，呈现半导体二极管整流特性；(c)零偏压下器件周期性开关光电流响应曲线

DOI：

doi.org/10.1016/j.mtnano.2026.100875