【国内论文】APL丨浙江理工大学郭道友教授团队实现α-Ga₂O₃双极性光响应，助力硬件级日盲边缘增强成像

      由浙江理工大学郭道友教授等人的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Illumination-intensity-controlled bipolar photoresponse in α-Ga₂O₃ nanoarray photoelectrode for edge-enhanced solar-blind imaging（光强调控双极性光响应 α-Ga₂O₃ 纳米阵列光电极用于边缘增强日盲成像）的文章。

      水下日盲光电成像受水体光衰减、散射、光照波动影响，目标边缘对比度大幅衰减，识别难度显著提升。现有成像优化手段仅依赖后期图像处理或额外光电调制模块，硬件层面缺少原生边缘识别方案。光电化学（PEC）型日盲探测器无需真空封装、可自驱动工作，α-Ga₂O₃ 具备 4.8–5.1 eV 超宽禁带，化学稳定性优异，是水下探测理想光敏材料。但常规单极性氧化镓光电极仅能输出单向光电流，无法区分明暗边界；现有双极性器件需复杂异质/相结生长工艺，重复性差、制备成本高。目前尚未实现单一物相氧化镓结构仅通过光照强度与外加偏压协同调控光电流极性。针对上述瓶颈，本文水热法制备介孔 α-Ga₂O₃ 纳米阵列光电极，仅依靠本征界面态实现光强可控极性翻转，无需复杂异质结构；搭建水下成像仿真模型，验证器件原生正负交替光电流轮廓可硬件级强化边缘对比度，为水下日盲成像硬件优化提供全新思路。

      水下成像常会因光衰减、散射以及光照强度波动导致目标边缘对比度降低，造成目标识别困难。现有解决手段主要依靠后期处理算法或额外光电调制器件。针对该难题，本文提出一种硬件集成式目标识别方案，采用生长在氟掺杂氧化锡基底上的 α-Ga₂O₃ 纳米棒阵列，器件在弱光照下可产生负光电流，实现目标轮廓自动勾勒。与传统单极性光电化学（PEC）电极不同，该器件可通过入射光强与外加偏压协同作用实现光电流极性精准调控。线性扫描伏安测试表明，辐照强度从 200 提升至 4000 μW/cm² 时，极性翻转电位从 +0.0287 V（相对于饱和甘汞电极）系统性负移至 −0.1044 V。这种光强依赖型双极性响应源于器件工作机制从表面态钉扎主导转变为空间电荷层主导，反映光电极界面势垒高度随光照强度的演变规律。为评估成像应用潜力，搭建概念验证型水下光电化学成像模型；该双极性器件在明暗边界处可产生本征“正-负-零”光电流分布，在不同散射条件下均比传统单极性探测器拥有更高边缘对比度。该研究为日盲光电化学成像硬件级边缘对比度增强提供可行方案。

      ①单一物相 α-Ga₂O₃ 纳米阵列光电极，无需异质/相结，仅靠本征界面缺陷实现光强可控光电流极性翻转，制备工艺简单、重复性高；

      ②光照强度 200–4000 μW/cm² 区间内，极性翻转电位可连续负移，可通过光强、偏压协同精准调控器件输出极性；

      ③揭示双极性响应机理：弱光下表面态钉扎主导产生阴极光电流，强光下空间电荷层效应占优输出阳极光电流；

      ④硬件原生正负交替光电流轮廓，无需图像处理即可提升水下成像边缘对比度，高浊度散射环境对比度最高提升 2.77 倍；

      ⑤水热退火制备介孔纳米棒阵列，比表面积 23.1 m²/g，固液界面接触面积大，光电化学反应效率更高。

      综上，本文制备基于介孔 α-Ga₂O₃ 纳米棒阵列的双极性光电化学探测器，并验证其用于边缘增强型水下日盲成像的应用潜力。器件具备可精准调控、由光照强度主导的极性翻转特性，辐照强度提升时翻转电位 V_switch 从 +0.0287 V（相对饱和甘汞电极）负移至 −0.1044 V。该双极性响应源于器件工作机制从表面态钉扎主导转变为空间电荷层主导，同时电化学反应路径从阴极氧还原反应切换为阳极析氧反应。利用器件在明暗边界处本征的“正-负-零”光电流过渡特征，该双极性器件可形成独特边缘信号，在各类前向散射（水体浊度）条件下边缘对比度均优于传统单极性探测器。研究表明，基于光强调控的双极性光电化学响应，为水下日盲成像实现硬件层面的边缘增强提供可行技术路径。

      本研究得到杭州市自然科学基金（2024SZRZDF040001）、国家自然科学基金（62274148、62374147）、国家自然科学基金联合基金（U23A20349）、浙江省自然科学基金（26062044-D）、浙江理工大学校内专项基金（24062240-Y）、浙江理工大学嵊州创新研究院专项基金（25200565-J）资助。