【国内论文】郑州大学Chin. Sci. Bull发表：基于Cs₂CdCl₄/β-Ga₂O₃异质结的自供电日盲紫外光电探测器研究

        由郑州大学的研究团队在学术期刊 Chinese Science Bulletin 发布了一篇名为 Self-powered solar-blind UV photodetector based on Cs₂CdCl₄/β-Ga₂O₃ heterojunction（基于 Cs₂CdCl₄/β-Ga₂O₃ 异质结的自供电日盲紫外光电探测器研究）的文章。

        Science Bulletin（《科学通报》）是中国科学院与国家自然科学基金委员会主办的综合性学术期刊。被SCI、EI、CSCD等数据库收录，为1区TOP期刊。

        该项目由国家自然科学基金(U24A20292, 12204426)和河南省自然科学基金(252300421212, 252300421236, 232301420002)资助

        日盲紫外光（200~280 nm）探测在火灾预警、紫外告警、光通信等领域应用前景广阔。传统光电倍增管体积大、功耗高。宽禁带半导体成本高；合金材料易发生相分离。β-Ga₂O₃ 作为理想材料，但通常依赖外部偏压工作，缺乏自供电能力。三维钙钛矿稳定性差，而全无机二维钙钛矿 Cs₂CdCl₄ 具有日盲吸收特性，但因溶解度低，难以通过溶液法制备高质量薄膜。

        日盲紫外光电探测器凭借其虚警率低和抗干扰能力强的优势, 在火灾预警、紫外告警、生物医学分析及无线光通信等领域展现出广阔的应用前景。然而, 当前该类探测器普遍面临制备成本高、材料易发生相分离及依赖 外部偏压工作等问题, 因此开发低成本、低功耗且高性能的自供电日盲紫外线探测器具有重要研究价值。 本研究聚焦全无机二维 Ruddlesden-Popper 相钙钛矿 Cs₂CdCl₄, 系统探究了其晶体结构、电子能带特征及结晶生长特性. 首次采用气相共沉积技术制备出均匀致密、高结晶质量的 Cs₂CdCl₄ 薄膜。 结合密度泛函理论计算与实验表征, 证实了该材料具有超宽带隙, 可实现对日盲紫外光的选择性吸收。 通过将 Cs₂CdCl₄ 薄膜与 β-Ga₂O₃ 结合, 成功构建了 Ⅱ 型能带排列异质结. 在 0 V 偏压、265 nm 紫外光照条件下, 器件的线性动态范围为 70.37 dB, 响应度为 11.96 mA W^–1, 比探测率达到 3.7 × 10¹¹ Jones。进一步, 将该器件作为光传感像素应用于日盲紫外光成像系统, 在 265 nm 光照下成功重构了高保真“UV”图案, 而对 360 nm 非日盲紫外光无响应, 充分验证了其对日盲紫外光的选择性探测能力。本工作解决了高质量 Cs₂CdCl₄ 薄膜的制备难题, 实现了高性能自供电日盲紫外光探测与成像, 为新型日盲紫外探测器的材料设计与器件开发提供了重要参考。

        ● 采用气相共沉积技术，成功克服了溶解度限制，制备出了表面均匀、致密且结晶质量高的 Cs₂CdCl₄ 薄膜。

        ● 研究将宽禁带的 Cs₂CdCl₄ 与 β-Ga₂O₃ 结合，成功构建了 Ⅱ 型能带排列的异质结。

        ● 利用全无机二维钙钛矿的稳定性与宽带隙特性，验证了该器件在复杂光环境下对日盲紫外信号的高选择性探测能力，展示了其在火灾预警和安全监控等领域的实际应用潜力。

        本研究通过构建 Cs₂CdCl₄/β-Ga₂O₃ 异质结, 成功开发了一种高性能自供电日盲紫外光电探测器。首先, 针对日盲紫外探测器需求, 系统分析了全无机二维 Ruddlesden-Popper 相钙钛矿 Cs₂CdCl₄ 的晶体结构和电子能带特性, 发现其为宽禁带半导体, 为理想的日盲紫外光探测材料。 为解决溶液法制备高质量 Cs₂CdCl₄ 薄膜的难题, 创新性地采用气相共沉积技术, 成功制备出均匀致密、结晶良好的 Cs₂CdCl₄ 薄膜。通过能带分析发现，Cs₂CdCl₄ 与 β-Ga₂O₃ 形成 Ⅱ 型能带排列的异质结, 其内建电场有效促进了载流子分离, 为自供电探测奠定了基础。器件在 265 nm 光照下表现出卓越性能, 具有 70.37 dB 的线性动态范围、11.96 mA W⁻¹ 的响应度和 3.7 × 10¹¹ Jones 的比探测率。成像实验证实了器件对 265 nm 日盲紫外光的选择性响应, 能清晰实现“UV”图案成像, 而对 360 nm 光无响应, 展现了在民用等领域的应用潜力。该研究不仅解决了 Cs₂CdCl₄ 薄膜的制备难题, 更为新型自供电日盲紫外探测器的发展提供了重要参考。

图 1. Cs₂CdCl₄ 的晶体结构与电子特性. (a) 二维层状晶体结构示意图; (b) BFDH 模型预测的理论晶体形貌; (c) 单晶生长趋势示意图; (d) 能带结构; (e) 总态密度和投影态密度。

图 2 . Cs₂CdCl₄ 薄膜的形貌、结构和成分表征. (a) 顶部SEM图; (b) 元素分布图; (c) EDS谱; (d) 截面SEM图; (e) XRD谱和四方晶系 Cs₂CdCl₄ 标准卡片对比; (f) XPS全谱; (g) Cs 3d、(h) Cd 3d和 (i) Cl 2p的高分辨XPS谱。

图 3. Cs₂CdCl₄ 和 β-Ga₂O₃ 的光学性质与能带分析. (a) Cs₂CdCl₄ 薄膜和 β-Ga₂O₃ 的吸收光谱; (b) Cs₂CdCl₄ 薄膜的 Tauc 图; (c) β-Ga₂O₃ 的 Tauc 图; (d) Cs₂CdCl₄ 薄膜的 UPS 数据; (e) Cs₂CdCl₄/β-Ga₂O₃ 异质结的能带排列示意图。

图 4. Cs₂CdCl₄/β-Ga₂O₃ 异质结光电探测器的日盲紫外光探测性能. (a) 器件的结构示意图; (b) 日盲紫外光照射下 Cs₂CdCl₄/β-Ga₂O₃ 异质结的能带排列示意图; (c) 0 V 偏压下器件的响应光谱; (d) 暗场以及不同光功率密度下器件的 I−V 曲线; (e) 放大的 I−V 曲线, 显示 Cs₂CdCl₄/β-Ga₂O₃ 异质结的光伏效应; (f) 不同光功率密度下器件的 I−t 曲线; 在 0 V 偏压下, 器件的 (g) 光电流、(h) R 和 (i) D* 随光功率密度的变化关系。

图 5. 基于 Cs₂CdCl₄/β-Ga₂O₃ 异质结器件的日盲紫外成像系统. (a) 图像传感装置示意图; 器件在 (b) 265 nm 和 (c) 360 nm 光照条件 下, “UV”图案的成像结果。

DOI：

doi.org/10.1360/CSB-2025-5166