【国内论文】AFM丨重庆大学、福建农林大学、美国斯旺西大学：突破“响应度-速度”悖论：氧化镓日盲光探测器研究取得重要进展

        由重庆大学、福建农林大学、美国斯旺西大学的研究团队在学术期刊 Advanced Functional Materials 发布了一篇名为 Breaking the Responsivity–Speed Trade-Off in Ga₂O₃ Solar-Blind Photodetectors via Oxygen-Vacancy Stratification for Underwater Optical Communication and Sensing（通过氧空位分层打破Ga₂O₃日盲光电探测器的响应度与速度权衡，以实现水下光通信与传感）的文章。

        《Advanced Functional Materials》（影响因子：19.0）涵盖广泛领域，具有重要的学术影响力。该刊广泛涉及工程技术及材料科学等多个领域，每周发布材料科学领域的最新研究成果，包括纳米技术、化学、物理学以及生物学等多个子领域。凭借其高效的同行评审制度、优质的内容以及广泛的影响力， 《Advanced Functional Materials》涉及材料科学及工程技术等领域，是国际材料科学领域的重要期刊，被国际权威自然指数评选为顶级期刊之一。

        随着海洋探测与海洋资源开发的加速发展，水下光学感知与通信技术的重要性显著提升，而光电探测器作为核心器件，其性能直接决定系统整体效果。在复杂的水下光环境中，强背景光干扰要求探测器具备高抗干扰能力。日盲紫外（200–280 nm）探测由于大气臭氧对该波段的吸收，天然具有低背景噪声和高信噪比优势，因此成为水下通信、环境监测等领域的理想选择。同时，实际应用还要求器件具备自供电、长期稳定等特性。氧化镓（Ga₂O₃）作为一种超宽禁带半导体，凭借其优异的化学稳定性和材料特性，在日盲紫外探测中展现出良好潜力。然而，其性能受到氧空位调控的载流子动力学限制，尤其是在响应度与响应速度之间存在难以兼顾的“权衡关系”（RS trade-off），成为制约其进一步应用的关键问题。因此，如何突破这一性能瓶颈，是该领域的重要研究动机。

        水下光传感与通信对光电探测器提出了严苛要求，需要同时实现高响应度和快速时间响应。氧化镓（Ga₂O₃）因其超宽禁带和化学稳定性，是用于水下日盲紫外光电探测的极具吸引力的半导体；然而，其性能受到 Ga₂O₃ 中氧空位介导的载流子动力学的严格限制，这是响应度-速度（RS）困境的根源。本文报道了一种开创性的氧空位分层策略，将富氧空位和贫氧空位 Ga₂O₃ 层垂直集成以构建内建电场。该电场加速载流子分离与输运，同时实现高光增益和快速响应，从而克服 RS 权衡。在 255 nm 光照、零偏压下，该器件实现 93.53 mA/W的响应度，上升和下降时间分别为 8.7 ms和 2.8 ms，在已报道的基于 Ga₂O₃ 的自供电水下光电探测器中展现出最优的响应度-速度综合性能。凭借该性能，该器件可实现高速水下光通信，并且与支持向量机分类器集成后，可同时检测和识别重金属离子，包括 Pb²⁺、Cu²⁺和 Fe²⁺。这些结果确立了氧空位分层作为调控宽禁带氧化物载流子动力学的通用方法，并推动高性能水下光电子传感与通信系统的发展。

        ● 首次提出氧空位分层调控策略，垂直集成富/贫氧空位 Ga₂O₃ 层，构建内建电场，突破日盲探测器响应度-速度固有权衡。

        ● 零偏压下实现 93.53 mA/W 高响应度、8.7/2.8 ms 超快响应速度，探测率达1.038×10¹³ Jones，外量子效率 48.51%，为已报道 Ga₂O₃ 自供电水下探测器最优水平。

        ● 器件可用于高速水下光通信，并结合 SVM 算法实现水中 Pb²⁺、Cu²⁺、Fe²⁺ 重金属离子精准识别与水质评估。

        ● 制备工艺简单（磁控溅射分步控氧），在真实海水环境中仍保持稳定工作，具备深海探测实用潜力。

        本研究通过引入氧空位分层策略，展示了一种基于 Ga₂O₃ 的水下日盲光电探测器，该探测器同时实现了高响应度和快速响应速度，从而有效解决了该领域长期存在的“RS困境”。性能提升源于富氧空位和贫氧空位层的合理垂直集成，在其界面处建立了内建电场，促进光生载流子的高效分离和定向输运，同时协同结合了富氧空位区域的高光增益和贫氧空位区域的快速载流子复合动力学。因此，该器件在255 nm光照、零偏压下实现了 93.53 mA/W 的高响应度、8.7 ms 的上升时间、2.8 ms 的下降时间、1.038×10¹³ Jones 的探测率和 48.51 % 的外量子效率，显著优于其他已报道的同类器件。该探测器可实现高速水下光通信，并结合支持向量机机器学习方法，有效区分水中的 Pb²⁺、Cu²⁺和Fe²⁺ 离子，同时评估水质，凸显了其在智能海洋传感和实时环境监测中的潜力。这项工作不仅为克服基于 Ga₂O₃ 的光电探测器中长期存在的“RS困境”提供了可行的技术途径，还证明了氧空位分层策略在高性能水下光电子器件中的广阔应用前景，为先进海洋勘探和环境监测技术的发展提供了新的思路。

        本工作得到了福建省自然科学基金杰出青年项目（2025J010026）、国家自然科学基金（42577350、62405056、42377310）、福建省高校产学研联合创新项目（2024N5010）的资助。

图 1 Ga₂O₃ 薄膜的表征结果。(a) SEM 表征的 Ga₂O₃ 薄膜表面形貌与元素面分布分析结果，以及对应的 EDS 元素面分布图（显示 Ga 与 O 元素均匀分布）。(b) Ga₂O₃ 与基底的拉曼光谱。(c) 紫外 - 可见吸收光谱，(d) 光致发光光谱，(e) XPS 全谱，(f) Ga 2p 核心能级谱的 XPS 分峰拟合，(g–i) 在 0、1、2 sccm O₂ 流量下溅射制备的 Ga₂O₃ 薄膜的 O 1s 核心能级谱 XPS 分峰拟合。

图 2 不同氧流量下制备的 Ga₂O₃ 日盲紫外光电探测器在零偏压下的光电性能。(a) 不同氧流量（S0、S1、S2、S5）制备器件的暗电流，(b) 光电流响应。(c) 器件的光暗电流比与响应度随氧流量的变化关系。(d) 瞬态光响应测试提取的上升时间，(e) 下降时间。(f) 上升时间与下降时间随氧流量的变化关系。

图 3 氧空位分层调控实现 Ga₂O₃ 日盲紫外光电探测器的制备与性能提升。(a) 氧空位分层调控 Ga₂O₃ 日盲紫外光电探测器的制备流程示意图。(b) S0 与 (c) S0/1 的光电压分析。(d) 不同光强 255 nm 光照下 S0 与 S0/1 的 I-t 曲线对比。(e) S0 与 S0/1 的响应度随光强的变化关系。(f) S0/1 与不同氧流量制备的日盲紫外光电探测器的响应时间对比。(g) 不同光强 255 nm 光照下 S0 与 S0/1 的光暗电流比、(h) 探测率、(i) 外量子效率。

图 4 氧空位分层调控日盲紫外光电探测器的性能对比与机理分析。(a) S0/1 与已报道工作的响应度和响应速度对比。(b) S0 与 S1 的光学带隙，(c) 价带顶光谱。(d) S0 与 (e) S1 的电荷转移示意图。(f) 分层结构 S0/1 的能带图与工作机理。

图 5 水下光通信与重金属离子检测的概念验证演示。(a) 用于水下日盲紫外光通信与重金属离子检测的日盲紫外光电探测器示意图。插图：对应 “CQU” 三个字母 ASCII 码的输出数据波形。(b) 器件在含不同重金属离子的水溶液中，255 nm 不同光强光照下的 I-t 曲线。(c) 对应条件下获取的器件平均光电流数据集。(d) 最小目标值与函数计算次数。(e) 使用 SVM 模型前后的数据分析结果对比。(f) 重金属离子检测预测的混淆矩阵。(g) 配套信号读取与水质分析软件的用户界面。

DOI：

doi.org/10.1002/adfm.75555