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【国内论文】中国科学院宁波材料技术与工程研究所---自支撑 β-Ga₂O₃ 纳米线和可拉伸的日盲紫外线光电探测器
日期：2025-06-05阅读：14
由中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队在学术期刊 Scientific Reports 发布了一篇名为 Self-supported β-Ga2O3 nanowires and for stretchable solar-blind UV photodetectors（自支撑 β-Ga2O3 纳米线和可拉伸的日盲紫外线光电探测器）的文章。
背 景
火焰探测是消防救援机器人实现智能化和自动化的核心技术之一。主要通过光电探测器、图像识别传感器和温度传感器来实现。与图像识别传感器和温度传感器相比，光电探测器具有识别速度快、识别精度高、抗干扰能力强等优点，是该领域的研究热点。然而，虽然火焰的光谱范围相对较宽，覆盖了紫外（105-380 nm）、可见光（380-700 nm）和红外（700-1000 nm）的整个波段，但由于日光中只有 200-280 nm 的日盲紫外光被大气臭氧层吸收，只有基于该波段的日盲紫外光探测器受自然光的影响较小，获得的信号信噪比高、误报率低，一直是火焰检测的主流手段。目前，大多数日盲紫外线光电探测器都是由氮化铝、金刚石和 Ga2O3 制备的，但由于氮化铝的制备困难和金刚石的响应带较窄，因此热稳定性好、日盲紫外线吸收率高的 Ga2O3 成为目前日光紫外线光电探测器的首选材料、是目前日盲紫外光探测器的首选材料，主要以块状、薄膜和纳米材料的形式出现，而 Ga2O3 纳米线因其比表面积大和良好的传输特性而备受关注。
主要内容
在高温、爆炸、有毒气体和烟雾等危险环境中，配备日光盲区紫外线光电探测器的消防救援机器人可显著提高操作安全性和效率。然而，传统的刚性光电探测器无法满足与机器人系统无缝集成的灵活性要求。本研究通过创新性地结合电纺丝和高温相变技术，在开发可拉伸的遮光型紫外线光电探测器方面取得了突破性进展。该方法能够高产生产出具有优异日盲紫外线吸收能力的自支撑 β-Ga2O3 纳米线。制造出的金属-半导体-金属（MSM）光电探测器性能卓越，包括高达 147.2 的光暗电流比和 22.5 mA/W 的响应率。更重要的是，该器件表现出前所未有的机械稳定性，在 50% 拉伸应变下光电流变化仅为 3.4%，500 次应变循环后仅有 3.9% 的衰减。研究团队还制作了一个能进行日光紫外成像的功能光电探测器阵列，进一步证明了这项技术的实际应用性，为下一代智能消防系统铺平了道路。
总 结
为了满足消防机器人和安全系统对柔性紫外线检测的迫切需求，研究团队开发了一种结合电纺丝和相变的创新制造策略，以大规模生产高性能的 β-Ga2O3 纳米线。由此产生的可拉伸日盲紫外光探测器实现了卓越的光电特性，包括超低暗电流（5.12 nA）、高光响应（0.76 µA）、快速响应/恢复时间（0.8 s/0.36 s）和出色的灵敏度（PCDR = 147.2，R = 22.5 mA/W）。更重要的是，该器件表现出了前所未有的机械鲁棒性，在 50% 拉伸应变下仍能保持 96.6% 的初始光电流，在 500 次应变循环后仅有 3.9% 的衰减--这代表了迄今为止所报道的日盲紫外探测器的最佳应变稳定性。通过使用原型探测器阵列成功实现紫外线成像，进一步验证了这项技术的实际应用性，为智能消防系统和其他极端环境应用中的下一代光电探测器铺平了道路。
图 1. β-Ga2O3 纳米线的表征。(a) 前驱体纳米线在电纺丝和干燥后的显微形貌。(b) 高温相变后获得的 Ga2O3 纳米线的显微形貌。(c) 纳米线表面在煅烧后出现明显的致密突起。(d) 经过多次煅烧和去除 C 残留物后纯 β-Ga2O3 纳米线的显微形貌。(e) 干法煅烧与直接煅烧所得材料的 XRD 图谱比较。(f) 不同煅烧温度下材料透射光谱的比较。
图 2 基于 β-Ga2O3 纳米线的可拉伸紫外线光电探测器的制备与表征。(a) 基于 β-Ga2O3 纳米线和银纳米线的可拉伸紫外光光电探测器的制造流程图。(b) Ag 纳米线电极、PDMS 基底和 Ga2O3 纳米线之间接触边界的表面扫描 EDS。(c) Ag NWs 电极与 β-Ga2O3 NWs 之间接触边界的表面扫描 EDS。(d) β-Ga2O3 纳米线可拉伸日盲紫外探测器在黑暗和 254 nm 光照下的 I-V 特性曲线。(e) MSM 日盲紫外探测器载流子传输示意图，以及局部应变如何通过 Ag NMS 的皱褶消散。
DOI：
doi.org/10.1038/s41598-025-02563-1
