【国内论文】哈工大研究团队成功开发了Ga₂O₃/CdS异质结的自驱动光电探测器

        随着大数据、人工智能和物联网的发展，数据安全面临严峻挑战。加密光通信是保障数据传输安全的重要手段，而光电探测器是其中的核心部件。开发宽带、高灵敏度光电探测器对于加强光电探测器在安全光通信中的应用至关重要。自驱动光电探测器利用光伏效应或热释光电效应（PPE）在零偏压下产生光电流，不仅降低了能耗，还提高了器件的集成性和便携性，特别适合用于加密光通信系统。热释光电效应利用光诱导的热效应产生瞬态极化电场，从而增强光生载流子的分离和传输效率。

        据麦姆斯咨询报道，近日，哈尔滨工业大学的研究团队开发了一种基于Ga₂O₃/CdS异质结的自驱动光电探测器，它利用热释光电效应实现了200 nm至1100 nm的宽带响应，突破了材料本征带隙的限制。与仅依赖光伏效应的器件相比，该自驱动光电探测器在所有波长的照明下的响应度和比探测率都显著提高，在460 nm光照下性能特别提高了536 %。

        此外，利用基于热释光电效应的光响应特性构建了可编程逻辑门，并在同一器件成功实现了三个逻辑功能——“AND”、“OR”和“XOR”，实现了信息的加密和解码。这项研究不仅推进了对热释光电效应的理论理解和应用范围，而且为高效、安全的加密光通信提供了一种新的策略。这项研究以“A programmable logic gate constructed with Ga₂O₃/CdS self-powered photodetector based on the pyro-phototronic effect: A new avenue for achieving secure encrypted optical communication”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。

        研究团队采用磁控溅射法制备了基于Ga₂O₃/CdS异质结的自驱动光电探测器，该器件制备过程和表征如图1所示。随后，研究团队通过系统性实验评估了该器件的光电性能，相关结果如图2和图3所示。

图1 Ga₂O₃/CdS异质结自驱动光电探测器的制备过程和表征

图2 Ga₂O₃/CdS异质结自驱动光电探测器的光响应行为

图3 Ga₂O₃/CdS异质结自驱动光电探测器的光响应行为

        随后，研究人员深入分析了热释光电效应在Ga₂O₃/CdS异质结自驱动光电探测器的产生和增强机制，相关结果如图4所示。

图4 Ga₂O₃/CdS异质结自驱动光电探测器热释光电效应的产生和增强机制

        最后，研究人员利用Ga₂O₃/CdS异质结自驱动光电探测器的多波段响应特性，构建了可编程逻辑门，用于光电信号的逻辑运算和加密处理，相关结果如图5和图6所示。

图5 Ga₂O₃/CdS异质结自驱动光电探测器光逻辑门的实现及其在光加密通信中的应用

图6 解码光响应信息的应用示意图

        综上所述，这项研究成功开发了一种基于Ga₂O₃/CdS异质结的自驱动光电探测器，利用热释光电效应实现了 200 nm 至 1100 nm 的宽带响应，显著突破了材料带隙限制。该光电探测器在多波段探测、逻辑运算和加密通信中表现出色，验证了其在安全通信、物联网和便携式设备中的潜力。这项研究成果展示了热释光电效应在光电探测和信号处理领域的巨大潜力，为开发高效、宽带和自驱动的光电集成系统提供了新思路。未来通过优化制备工艺和材料稳定性，该技术有望推动下一代光通信技术的商业化。

DOI：

doi.org/10.1016/j.cej.2025.162392