【会员论文】东北师范大学李炳生教授团队：高响应度石墨烯增强型PEDOT:PSS β氧化镓微米线有机无机杂化异质结自供电光电探测器

        由东北师范大学李炳生教授领导的研究团队在学术期刊 Journal of Materials Chemistry C 发布了一篇名为 A graphene-enhanced PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ microwire organic–inorganic hybrid heterojunction self-driven photodetector with high light responsivity（一种具有高光响应度的石墨烯增强型 PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 微米线有机-无机杂化异质结自供电光电探测器）的文章。

        本研究得到以下机构的资助：中国国家自然科学基金（编号 62274027 和 62404039）、松山湖材料实验室开放基金（2023SLABFK03）、111中心（B25030）、吉林省基金（编号 20220502002 GH）、中国博士后科学基金资助项目（GZC20230416）以及中央高校基础科研基金（2412024QD010）。

        深紫外（DUV）光电探测器因其能在 200–280 nm 的日盲波段工作而受到广泛关注，该波段的太阳辐射会被大气吸收，从而避免太阳背景干扰，使其在火焰监测、导弹探测、臭氧层研究及医疗诊断等应用中具有重要价值。候选材料包括 AlGaN、ZnO 和 β-Ga₂O₃，其中 β-Ga₂O₃ 具有本征日盲带隙（约 4.9 eV），在 DUV 探测器制备中尤为有前景。自驱动光电探测器因其便携性、环保性及无需外部电压源而备受关注，但性能依赖内部电场的强弱以实现光生载流子的高效分离和传输。β-Ga₂O₃ 基 PD 的主要挑战在于尚未实现 p 型掺杂，同时材料中存在的氧空位和位错等本征缺陷会显著影响器件性能。为此，研究者探索了 β-Ga₂O₃ 与无机 p 型半导体（如 GaN、NiO、Cu₂O）或有机半导体（如 PEDOT:PSS）构建的异质结光电探测器，其中有机高分子在机械柔性、低成本及可集成到可穿戴系统方面具有优势。近期方法通过在 PEDOT:PSS 中引入石墨烯增强电导率和内建电场，结合高质量 CVD 生长的 β-Ga₂O₃ 微米线制备自驱动 DUV 光电探测器，在零偏置下实现高响应度和高探测率，为高性能柔性 DUV 光电探测器的发展提供了重要策略。

        本研究通过将石墨烯引入PEDOT:PSS，构建了PEDOT:PSS@石墨烯复合结构，从而显著增强了其电导率。随后，该复合层与通过化学气相沉积（CVD）合成的高结晶度 β-Ga₂O₃ 微米线（MWs）结合，制备出自供电深紫外（DUV）光电探测器。器件在10 V偏置下表现出超低暗电流，仅为 0.13 pA，显示出优异的噪声抑制能力。更重要的是，在 245 nm 照射且 0 V 偏置条件下，该光电探测器展现出高达 65 mA W^-1 的光响应度，相比 PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ MW 和石墨烯/β-Ga₂O₃ MW 异质结构分别提升了 48 倍和 4 倍。此外，器件还实现了约 10¹² Jones 的高比探测率。这些优异的光响应性能主要归因于石墨烯的引入，既提高了 PEDOT:PSS 层的电导率，又增强了异质结界面的内建电场，从而促进光生载流子的高效分离与传输。总体而言，本工作为设计有机–无机杂化异质结构提供了有前景的策略，并为高性能自供电日盲光电探测器的开发提供了新的思路。

        本研究将石墨烯引入 PEDOT:PSS 成功构建了PEDOT:PSS@石墨烯复合结构，使 PEDOT:PSS 薄膜的电导率提升了两个数量级。在此基础上，基于 PEDOT:PSS@石墨烯/β-Ga₂O₃ MW的有机–无机杂化p–n异质结，构建了高性能自驱动日盲DUV光电探测器。石墨烯的引入有效提升了 PEDOT:PSS 的电导率，增强了异质结界面的内建电场，从而显著提高了器件整体性能。在 0 V 偏置及 245 nm 照射条件下，器件展现了光电流与暗电流比达 10³、超高响应度 65 mA/W 以及比探测率 9×10¹¹ Jones 的优异性能。这些结果证明了所提出策略的有效性。本研究为未来优化自供电日盲 DUV 光电探测器性能提供了宝贵参考，同时为开发更高效、更灵敏的光电探测器器件提供了有用指导。

图1 (a) 单根 β-Ga₂O₃ 微米线在 SiO₂/Si 衬底上的光学图像，插图显示了放置在刚玉舟中的 β-Ga₂O₃ 照片；(b) β-Ga₂O₃ 的 XRD 图谱，插图显示 (400) 峰的放大视图；(c) β-Ga₂O₃ 微米线的透射光谱；(d) β-Ga₂O₃ 微米线的 SEM 图像，插图显示 β-Ga₂O₃ 微米线的横截面；(e) 单根 β-Ga₂O₃ 微米线中 Ga 和 O 元素的分布映射；(f) 单根 β-Ga₂O₃ 微米线的能谱（EDAX）分析

图2 (a) PEDOT:PSS@Gr 复合结构的制备工艺示意图；(b) 含石墨烯与不含石墨烯的 PEDOT:PSS 薄膜 I–V 特性；(c) PEDOT:PSS@Gr/β-Ga₂O₃ 微米线异质结器件示意图；(d) 和 (e) 分别为 β-Ga₂O₃ 微米线和石墨烯与电极接触的 I–V 特性曲线。

图3 (a) 石墨烯/β-Ga₂O₃ 微米线，(b) PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 微米线，(c) PEDOT:PSS@Gr/β-Ga₂O₃ 微米线异质结的 I–V 特性曲线；(d)–(f) 分别为石墨烯/β-Ga₂O₃ 微米线、PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 微米线以及 PEDOT:PSS@Gr/β-Ga₂O₃ 微米线异质结光电探测器在 0 V 下的响应度 (R)、探测率 (D*) 与外量子效率 (EQE)。

图4  (a) 三种异质结光电探测器在 245 nm 光照和 0 V 条件下的 I–t 曲线； (b) 石墨烯/β-Ga₂O₃ 微米线异质结的时间响应， (c) PEDOT:PSS/β-Ga₂O₃ 微米线异质结的时间响应， (d) PEDOT:PSS@Gr/β-Ga₂O₃ 微米线异质结的时间响应； (e) PEDOT:PSS@Gr/β-Ga₂O₃ 微米线异质结在不同光强下的 I–t 循环曲线。

图 5 PEDOT:PSS@Gr/β-Ga₂O₃ 微米线异质结在 0 V 条件下接受日盲紫外光照时的能带示意图。

DOI：

doi.org/10.1039/D5TC02594J