【国内论文】AFM丨贵州中医药大学、大连民族大学、贵州大学团队：双导电桥架起性能通道！Ga₂O₃日盲紫外探测器实现灵敏度与速度双提升

        由贵州中医药大学、大连民族大学、贵州大学的研究团队在学术期刊 Advanced Functional Materials 发布了一篇名为 Breaking the Trade-off Between Responsivity and Response Time for Ga₂O₃ Solar-Blind Ultraviolet Photodetectors via Conductive-Bridge Engineering for High-Resolution Dynamic Imaging（通过导电桥工程实现 Ga₂O₃ 日盲紫外光探测器灵敏度与响应时间之间的权衡突破，以实现高分辨率动态成像）的文章。

        《Advanced Functional Materials》（影响因子：19.0）涵盖广泛领域，具有重要的学术影响力。该刊广泛涉及工程技术及材料科学等多个领域，每周发布材料科学领域的最新研究成果，包括纳米技术、化学、物理学以及生物学等多个子领域。凭借其高效的同行评审制度、优质的内容以及广泛的影响力， 《Advanced Functional Materials》涉及材料科学及工程技术等领域，是国际材料科学领域的重要期刊，被国际权威自然指数评选为顶级期刊之一。

        日盲紫外光电探测器仅响应 280 nm 以下深紫外波段，在导弹预警、火焰探测、环境监测、深空探测领域具备不可替代应用价值。传统 β-Ga₂O₃ 基日盲探测器存在核心性能矛盾：依靠深陷阱提升光电增益会大幅拉长载流子寿命，造成响应速度严重滞后；追求快速响应又会牺牲探测灵敏度，响应度与响应时间的固有权衡瓶颈长期限制器件实用化。现有异质结改性方案仅单一优化灵敏度或速度，无法同步兼顾两项核心指标。二维 Nb₂CTₓ MXene 具备金属导电性，可构建低阻载流输运通道；铝纳米颗粒（Al NPs）局域表面等离激元效应能增强紫外光吸收，同时在界面形成肖特基势垒抑制载流子复合。但两种材料协同导电桥调控机制尚未被系统研究。本文提出 Al NPs/Nb₂CTₓ 双导电界面复合策略，在 β-Ga₂O₃ 表面构筑多级输运通道，同步突破灵敏度与响应速度的性能制衡，制备可用于静态文字、动态目标实时高分辨成像的高性能日盲探测器件。

        响应度与响应速度之间固有的权衡关系从根本上限制了日盲紫外光电探测器（SBUVPDs）的性能。本文提出一种界面导电桥增强电荷输运效应以突破该局限。具体而言，引入二维 Nb₂CTₓ MXene 在 β 相氧化镓（β-Ga₂O₃）表面构筑载流输运通道；将铝纳米颗粒（Al NPs）作为高效“载流桥”复合于 β-Ga₂O₃/Nb₂CTₓ MXene 界面，有效抑制载流堆积、提升电荷抽取效率。同时，Al NPs 修饰 β-Ga₂O₃ 可通过肖特基结实现等离激元增强光吸收与载流动力学优化的协同作用。基于上述结构的 β-Ga₂O₃/Al NPs/Nb₂CTₓ MXene 日盲探测器展现出优异综合性能：250 nm 光照下响应度达 0.64 A/W，探测率为 1.01×10¹³ Jones，暗电流低至 8.94×10⁻¹³ A，响应速度仅 19.1 µs。此外，器件经过 10⁴ 次开关循环后响应度几乎无衰减。最终，该器件可对静态字符与实时运动目标实现高质量日盲成像。本研究为面向成像、传感场景的下一代高性能日盲紫外探测器提供全新高效设计思路。

        ①首次提出 Al NPs/Nb₂CTₓ 双导电桥界面协同改性策略，在 β-Ga₂O₃ 表面构建多级载流输运通道，从机理上破解响应度与响应速度的固有制衡；

        ②Nb₂CTₓ MXene 薄膜钝化 β-Ga₂O₃ 氧空位缺陷，大幅降低暗电流；Al NPs 引入局域等离激元效应增强日盲波段光吸收，同步形成界面肖特基势垒加速载流分离；

        ③优化后器件在 250 nm 光照下实现 0.64 A/W 高响应度、1.01×10¹³ Jones 超高探测率，上升/下降响应时间仅 19.1/20.2 µs，同步达成高灵敏与超快响应；

        ④器件线性动态范围达 112.3 dB，经过 10⁴ 次开关循环后性能无明显衰减，具备优异工作稳定性与光强线性响应能力；

        ⑤搭建 8×8 探测阵列成像系统，完成静态字符、动态移动目标高分辨率日盲实时成像，验证器件在成像传感领域实用潜力。

        综上，本文证实导电桥增强电荷输运效应可有效解决日盲紫外光电探测器响应度与响应速度的权衡难题。基于蓝宝石/Ga₂O₃/Al NPs/Nb₂CTₓ MXene/Au 结构成功制备兼具高响应度与超快响应速度的日盲探测器；在 250 nm 光照下，器件响应度 0.64 A/W，探测率 1.01×10¹³ Jones，上升、下降响应时间分别为 19.1 µs、20.2 µs。相较于纯 β-Ga₂O₃ 器件，双界面协同改性能够抑制异质结内陷阱态与氧空位、提升电子迁移率、实现高效电荷分离与输运。同时该探测器经过 10⁴ 次连续开关循环后仍保持优异性能稳定性，并且可完成字符、动态目标的日盲成像，在实际应用场景中具备广阔前景。

        本研究得到国家自然科学基金（12404450、62575047、62175025）、辽宁省教育厅基础研究项目（LJ212512026009）、贵州省基础研究（自然科学）一般项目（MS[2026]684）、大连市科技计划（2025RY06）、贵州中医药大学博士启动基金与青年启航项目（043250012、QNYFZK[2025]09）资助。

图 1 (a) V₂CTₓ、Ti₃C₂Tₓ、Nb₂CTₓ 三种 MXene 的态密度图；(d-f) 对应三种材料功函数曲线；(g) Nb、Ti、V-C 键积分晶体轨道键指数随键长变化关系；(h) 各类 MXene 中 C 原子得电子量柱状图；(i) Nb₂CTₓ/β-Ga₂O₃ 异质结平衡能带图

图 2 (a) Nb₂CTₓ 与 β-Ga₂O₃ 原子构型示意图；(b, c) Nb₂CTₓ 的扫描电镜、透射电镜图；(d, e) 纯 β-Ga₂O₃ 薄膜扫描电镜与高倍形貌图；(f, g) β-Ga₂O₃/Nb₂CTₓ 复合薄膜扫描电镜与高倍形貌图；(h) 纯 β-Ga₂O₃、β-Ga₂O₃/Nb₂CTₓ 的 X 射线衍射谱；(i, j) 两种薄膜 O 1s、Ga 2p 轨道 X 射线光电子能谱；(k) 拉曼光谱对比；(l, m) 纯氧化镓、复合薄膜态密度曲线

图 3 (a) 三类薄膜紫外吸收光谱；(b) 电流-电压特性曲线；(c) 不同 MXene 复合薄膜电导率柱状对比；(d, e) 20-350 K 温度区间电阻率、载流迁移率变化曲线；(f, g) β-Ga₂O₃/Nb₂CTₓ、β-Ga₂O₃/Al NPs/Nb₂CTₓ 差分电荷密度与纵向积分图；(h, i) 两种异质结电子局域函数分布图

图 4 (a) β-Ga₂O₃/Al NPs/Nb₂CTₓ 探测器结构示意图；(b) 三类器件暗电流曲线；(c) 光谱响应度；(d) 探测率；(e) 外量子效率；(f) 线性动态范围对比；(g) 最优器件上升、下降时间归一化电流波形；(h) 不同温度下响应度变化；(i) 10⁴ 次开关循环稳定性曲线

图 5 (a) 日盲成像测试光路系统示意图；(b) 白光、(c) 365 nm 紫外下阵列电流分布图；(d) 255 nm、(e) 275 nm 光照下 O、H 字母成像结果；(f) 运动方块目标实时像素光电流时序图

DOI：

doi.org/10.1002/adfm.77230