【国内论文】Sci. China Mater | 湖北大学、五邑大学团队提出超临界流体与SAM协同改性策略，推动β-Ga₂O₃有机杂化日盲探测性能跃升

        由来自湖北大学、五邑大学的研究团队在学术期刊 Science China Materials 发布了一篇名为 Boosting interface band alignment via synergistic supercritical fluid post-treatment and SAM functionalization for Ga₂O₃-hybrid solar-blinddetectors（协同提升界面能带对齐:超临界流体后处理与 SAM 功能化在氧化镓-有机杂化日盲探测器中的应用）的文章。

        Science China Materials（《中国科学：材料科学（英文版）》）是由中国科学院主管、中国科学院与国家自然科学基金委员会共同主办的高水平国际英文学术期刊。期刊创刊于 2015 年，现为月刊，由《中国科学》杂志社与 Springer 联合出版。作为材料科学领域的权威期刊，Science China Materials 涵盖材料科学的所有研究方向，注重报道具有创新性和前瞻性的高质量研究成果，发表文章类型包括研究论文、快报、综述、观点、概念及研究亮点等。该刊被 SCIE、EI、Scopus、CSCD、CA、INSPEC 等国内外重要数据库收录，最新影响因子为 7.7（2025 年），五年影响因子为 6.6，CiteScore 为 12.1。期刊持续位列中科院材料科学 1 区及 JCR Q1 区，并入选“中国科技期刊卓越行动计划”领军期刊项目，是中国材料科学领域具有重要国际影响力的学术期刊之一。

        日盲紫外探测技术可探测 200–280 nm 波段紫外光，在臭氧环境监测、火焰告警、导弹预警、空间保密光通信、生化微量检测等领域具备不可替代的实用价值。宽禁带半导体是制备高性能日盲探测器的核心材料，AlN、GaN、ZnO、4H-SiC、金刚石均被广泛研究，而 β-Ga₂O₃ 作为第四代超宽禁带半导体，拥有 4.4–5.2 eV 本征带隙、超高紫外透过率、强紫外吸收系数与优异热/化学稳定性，是理想日盲探测材料；本征氧空位缺陷使 Ga₂O₃ 天然呈现 n 型导电特性，因此构建 p-n 异质结成为提升器件性能主流方案。

        全无机 p-n 异质结普遍存在严重晶格失配，界面高密度缺陷会捕获光生载流子，大幅降低载流子输运效率、劣化器件性能；有机 p 型半导体与 n 型 Ga₂O₃ 构筑有机-无机杂化异质结可规避晶格匹配限制，大幅削减界面缺陷来源，现有 CuPc、PEDOT:PSS、CoPc、PCDTBT 等有机/Ga₂O₃ 杂化器件虽实现自驱动工作，但响应度普遍偏低，存在两大核心瓶颈：一是 Ga₂O₃ 薄膜内部氧空位缺陷浓度高，光生载流子在薄膜体相提前复合；二是有机/无机界面能带对齐不理想，无法形成足够强的载流子分离内建电场，两者共同限制探测性能突破。

        现有研究仅单独优化薄膜结晶质量或单独修饰界面能级，缺少薄膜本体改性+界面精准能带调控的协同方案，无法同步解决体相缺陷与界面能带失配双重难题，因此亟需开发一体化协同改性策略，同步优化 Ga₂O₃ 薄膜本征质量与异质结界面能带结构，实现自供能日盲探测器性能跃升。

        基于 p 型材料与 n 型氧化镓（Ga₂O₃）构建的 p-n 异质结日盲光电探测器，因其固有的低暗电流和自供能特性，在光电子领域受到广泛关注。在众多异质结结构中，p 型有机材料与 n 型 Ga₂O₃ 结合的有机-无机杂化异质结为解决晶格失配问题提供了有效方案，为器件性能突破开辟了新路径。本研究采用超临界流体技术对 Ga₂O₃ 薄膜进行处理，该处理显著降低了薄膜的缺陷态密度，同时提升了其结晶质量与表面均匀性，为异质结界面的优化奠定了关键基础。同时，在有机-无机异质结界面引入了自组装单分子层。值得注意的是，通过超临界流体处理所获得的高质量 Ga₂O₃ 表面，促进了自组装单分子层分子的高效定向排布，实现了界面能带结构的精准调控，并显著提升了光生载流子的分离与输运动力学。得益于超临界流体改性与自组装单分子层功能化的协同作用，所制备的日盲光电探测器在零偏压（自供电模式）及 5 μW/cm² 的弱 254 nm 光照下，实现了 111.7 mA/W 的最高响应度与 1.02 × 10¹¹ Jones 的比探测率。

        ①提出超临界 CO₂ 流体后处理+两性离子型 SAM 界面修饰协同界面工程新策略，同步解决 Ga₂O₃ 薄膜体相氧空位缺陷、有机-无机界面晶格失配、能带对齐失衡三大核心难题；

        ②超临界流体（SC）低温处理可诱导 Ga₂O₃ 二次晶粒生长，大幅降低表面粗糙度、抑制氧空位缺陷，获得高活性、高有序度 Ga³⁺ 富集表面，为 SAM 定向致密自组装提供理想基底；

        ③选用两性离子 Z14 自组装单分子层，依靠磺酸根与 Ga³⁺ 配位形成可控界面偶极，精准抬高 Ga₂O₃ 功函数、强化异质结内建电场，大幅提升光生载流子分离与收集效率；

        ④协同改性后 SS-Ga₂O₃ 自供能日盲探测器实现同期最优综合探测性能，响应度 111.7 mA/W、比探测率 1.02 ×10¹¹ Jones，响应速度、开关比、日盲抑制比全面优于已报道同类有机/Ga₂O₃ 杂化器件；

        ⑤基于该高性能单像素探测器搭建 MEMS 微镜扫描激光轨迹检测系统，利用器件日盲抗自然光干扰特性实现无焦平面阵列的低成本单像素成像，拓展器件神经形态视觉、空间轨迹探测应用场景。

        本研究提出了结合超临界流体处理与自组装单分子层修饰的协同界面工程策略。通过调控薄膜微观结构并优化异质结能带对齐，实现了基于 β-Ga₂O₃ 的日盲紫外光电探测器的性能突破，制备出高性能 p-SAM-n 型 SS-Ga₂O₃ 器件。超临界流体处理降低了 β-Ga₂O₃ 薄膜的缺陷态密度并改善其结晶取向，而自组装单分子层分子可实现偶极矩调制与界面缺陷钝化。该方法精准优化了异质结能带对齐并构建高效电荷分离通路，解决了传统有机-无机异质结中界面电荷复合与能带失配的关键问题。最终，SS-Ga₂O₃ 器件在 254 nm、5 μW/cm² 光照零偏条件下实现 111.7 mA/W 高响应度、1.02 ×10¹¹ Jones 比探测率、显著优化的响应速度（上升/下降时间分别为 0.11 s/0.18 s）以及 1.02 V 开路电压。上述关键性能指标处于同类器件报道最优水平。此外，基于该探测器搭建的 MEMS 扫描检测系统，依托其日盲选择性响应与优异抗噪声能力，验证了使用单探测器替代焦平面阵列实现高精度轨迹重建的可行性，为开发低成本、低功耗单像素成像技术提供创新思路。

        本工作由湖北省重大专项（2023BAA009）资助。

图 1 分别为超临界流体处理前 (a)、后 (b) Ga₂O₃ 薄膜表面形貌、氧缺陷分布及自组装单分子层组装方式示意图；(c) 超临界处理并旋涂自组装单分子层分子后的器件结构示意图；(d) 引入自组装单分子层前后氧化镓薄膜能带结构简化示意图

图 2 (a) 超临界流体处理前后 Ga₂O₃ 薄膜扫描电镜图；(b) 处理前后样品原子力显微镜图；(c) 两组样品 X 射线衍射图谱对比；(d,e) 超临界流体处理前后样品傅里叶变换红外光谱与拉曼光谱

图 3 (a) Ga₂O₃ 薄膜紫外-可见吸收光谱及推导光学带隙；(b) 理论计算得到的 Ga₂O₃ 表面模型与自组装单分子层分子结合构型；(c) 锚定在 Ga₂O₃ 表面的自组装单分子层分子示意图；(d,e) 分别为超临界流体处理前后 Ga₂O₃ 薄膜 Ga 3d 芯能级 X 射线光电子能谱；(f) 超临界处理后 Ga₂O₃ 表面自组装单分子层锚定效果提升示意图

图 4 (a) 零偏压下有无自组装单分子层修饰器件的光暗电流比；(b,c) 自组装单分子层修饰前后器件电流-电压特性曲线；(d) 有无自组装单分子层器件的开路电压；(e,f) 修饰前后器件响应时间；(g) 不同光照强度下有无自组装单分子层器件的响应度与比探测率；(h,i) 不同光照强度下有无自组装单分子层器件的外量子效率与光暗电流比

图 5 (a,b) 经超临界处理与自组装单分子层共修饰 (SS-Ga₂O₃) 器件的电流-电压特性；(c,d) 不同光照强度下 SS-Ga₂O₃ 器件电流-电压曲线；(e) 零外偏压、不同光照强度下探测器电流-时间曲线；(f) 330 μW/cm² 光照、不同外偏压下探测器电流-时间曲线；(g) 零偏压、不同光照强度下 SS-Ga₂O₃ 器件的响应度与比探测率；(h) 零偏压下 SS-Ga₂O₃ 器件响应速度 (上升/下降时间)；(i) 零外偏压下探测器光电流随光照强度变化的实验曲线

图 6 分别为超临界流体处理与自组装单分子层修饰前后器件结构在暗态 (a,b)、光照 (c,d) 条件下的能带结构与载流子输运机理示意图

图 7 (a) 不同有机材料构建的 Ga₂O₃ 基有机-无机杂化光电探测器响应度与比探测率性能对标；(b) 采用不同有机材料的 Ga₂O₃ 基有机-无机杂化光电探测器响应速度对比

图 8 (a) 基于 MEMS 微镜扫描的激光运动轨迹检测系统示意图；(b) 施加至 MEMS 微镜的控制信号；(c) Ga₂O₃ 光电探测器输出信号；(d) 目标物体实际运动轨迹与通过预测坐标点重建得到的轨迹

DOI ：

10.1007/s40843-026-4131-3