【会员论文】Optics Letters丨东北师范大学马剑钢教授团队：基于自支撑 MXene/γ-Ga₂O₃ 量子点肖特基结的自驱动柔性日盲紫外光电探测器

        由东北师范大学集成光电子全国重点实验室马剑钢教授团队的研究团队在学术期刊 Optics Letters 发布了一篇名为 Self-powered flexible solar-blind ultraviolet photodetectors enabled by freestanding MXene/γ-Ga₂O₃ quantum dots Schottky junctions（基于自支撑 MXene/γ-Ga₂O₃ 量子点肖特基结的自驱动柔性日盲紫外光电探测器）的文章。

        柔性日盲紫外光电探测器在可穿戴电子、极端环境监测领域具备巨大应用前景，但现有器件难以同时兼顾机械耐久度与光电响应性能。传统 β-Ga₂O₃ 单晶材料本征脆性大，制备需要高温工艺，无法适配柔性基底；有机半导体虽可溶液制备、具备柔性，但环境稳定性极差。 γ-Ga₂O₃ 量子点保留氧化镓优异日盲光电特性，且可低温溶液加工，是柔性器件理想有源层，但传统 PET、PI 聚合物基底易产生界面缺陷与热失配，限制器件性能。

        Ti₃C₂Tₓ MXene 兼具高金属导电性、优异柔性与亲水表面，可同步充当柔性基底、导电电极与量子点生长载体，从根源解决异质界面缺陷问题。目前基于 MXene 与 γ-Ga₂O₃ 量子点构建肖特基结、实现应变调控自驱动柔性日盲探测的方案鲜有报道。本文采用自支撑 MXene 薄膜复合 γ-Ga₂O₃ 量子点构筑肖特基结，依靠界面内建电场实现零偏自驱动探测，系统探究拉伸应变对器件光电性能的调控作用，同时验证器件弯曲稳定性与电弧瞬态信号实际检测能力，为全无机柔性日盲光电器件提供全新方案。

        柔性日盲紫外光电探测器在可穿戴电子与环境监测领域前景广阔，但该类器件难以兼顾机械稳定性与光电响应性能。本文首次基于溶液法制备 γ-Ga₂O₃ 量子点与自支撑 Ti₃C₂Tₓ MXene 薄膜构筑肖特基结，研制出一种全新自驱动光电探测器。MXene 薄膜具备金属导电性、优异机械柔性和亲水表面，可实现 γ-Ga₂O₃ 量子点均匀溶液组装。γ-Ga₂O₃ 量子点/MXene 界面形成内建电场，可高效分离光生电荷，器件无需外加偏压即可实现自驱动探测。250 nm 紫外光照下，该器件光电流是传统硬质 FTO 基底对照器件的 10 倍；施加拉伸应变可提升 MXene 电极导电性，进一步增强光电响应。器件可对电弧放电等瞬态紫外信号实现毫秒级快速响应，经过多次弯折后性能仍保持稳定。该应变调控器件结构为可在极端环境下稳定工作的柔性光电器件提供了极具前景的技术平台。

        ①采用自支撑 Ti₃C₂Tₓ MXene 薄膜一体化充当柔性基底与导电电极，省去聚合物衬底，消除传统异质界面缺陷、热失配问题；

        ②溶液法制备 γ-Ga₂O₃ 量子点与 MXene 形成肖特基结，界面内建电场实现零偏压自驱动日盲紫外探测，光电流为 FTO 硬质器件 10 倍，开关比提升 15.6 倍；

        ③首次实现拉伸应变正向增强器件光电响应，拉伸减小器件接触电阻、提升载流子输运效率，构建应变调控高性能柔性探测新机制；

        ④器件上升/衰减时间仅 15.4 μs/1.54 ms，可实时捕捉电弧放电瞬态紫外信号，适用于工业故障、电气安全在线监测；

        ⑤全无机体系具备优异机械耐久度，1000 次反复弯折后光电性能无明显衰减，满足长期可穿戴设备使用需求。

        综上，本文成功研制了基于 γ-Ga₂O₃ 量子点与自支撑 Ti₃C₂Tₓ MXene 薄膜的自驱动柔性日盲紫外光电探测器。自支撑 MXene 薄膜同时作为高效底电极与高韧性柔性基底，解决了传统异质器件普遍存在的界面缺陷问题。γ-Ga₂O₃ 量子点可高效吸收日盲紫外光，异质结能级匹配形成内建电场，实现高效电荷分离与零偏自驱动探测。器件光电响应大幅提升，开关比是硬质 FTO 基底器件的 15.6 倍，光电流提升 10 倍。该器件具备独特应变调控特性，拉伸应变可优化界面接触、调控 MXene 电极导电性，进而增强光电响应；同时器件响应速度快（上升 15.4 μs、衰减 1.54 ms）、机械稳定性优异。器件可实时监测电弧放电瞬态紫外信号，验证了实际应用价值。该器件结构为下一代可长期稳定工作的柔性光电器件提供了可行方案，在可穿戴安全设备、工业在线监测领域具备广阔应用潜力。

        本研究得到国家重点研发计划（2021YFA0716404）、国家自然科学基金（52302166、62404038、12474164）、吉林省专项基金（SKL202602014JC）、吉林省科技发展计划（20240602060RC）、国家博士后创新人才支持计划（BX20230064）、吉林省教育厅项目（JJKH20241412KJ、JJKH20250300KJ）、中国博士后科学基金面上项目（GZC20240240）资助。

图 1 γ-Ga₂O₃ 量子点的晶体学表征。(a)高分辨透射电镜图，插图为标注晶面间距的放大晶格图；(b)标注主要衍射环的选区电子衍射图；(c) γ-Ga₂O₃ 薄膜 X 射线衍射谱；(d) MXene 薄膜 X 射线衍射谱；(e) γ-Ga₂O₃ 薄膜 O 1s 高分辨 X 射线光电子能谱；(f) MXene 薄膜全谱 X 射线光电子能谱

图 2 MXene/γ-Ga₂O₃ 光电探测器相关测试图。(a) MXene/γ-Ga₂O₃ 器件结构示意图；(b) MXene/γ-Ga₂O₃ 异质结截面扫描电镜图；(c)黑暗与 250 nm 光照条件下，FTO/γ-Ga₂O₃、MXene/γ-Ga₂O₃ 器件电流-电压曲线；(d)零偏压下 MXene/γ-Ga₂O₃ 器件光响应升降沿拟合曲线；(e)零偏压下器件光谱响应曲线；(f) 250 nm 光照下光电流、响应度随入射光强变化曲线

图 3 (a) γ-Ga₂O₃ 薄膜吸收光谱，插图为 Tauc 带隙拟合图；(b) γ-Ga₂O₃ 薄膜紫外光电子能谱；(c) MXene 薄膜紫外光电子能谱；(d) γ-Ga₂O₃/MXene 肖特基结能带示意图

图 4 (a)不同弯曲半径下器件电流-时间响应曲线；(b) MXene 基底电阻随弯曲半径变化曲线；(c) 1000 次弯折前后器件光响应对比曲线；(d)零偏压下器件对电弧放电信号的实时监测曲线

DOI：

doi.org/10.1364/OL.605382