【国内论文】MTP丨浙江理工大学郭道友教授团队：调控Ga₂O₃光电极中光生空穴传输动力学以实现超稳定水下日盲紫外探测与通信

        由浙江理工大学郭道友教授的研究团队在学术期刊 Materials Today Physics 发布了一篇名为 Tuning photo-induced hole transport dynamics in Ga₂O₃ photoelectrodes for ultra-stable underwater solar-blind UV detection and communication（调控 Ga₂O₃ 光电极中光生空穴传输动力学以实现超稳定水下日盲紫外探测与通信）的文章。

        水下战术作业、救援任务与资源勘探不断发展，推动水下光通信（UOC，Underwater Optical Communication）领域获得广泛关注。光电化学（PEC，Photoelectrochemical）光电探测器具备自供电、适配液态环境的优势，十分适合水下光通信场景。但是基于可见光的光电化学器件抗干扰能力差、误码率高；而工作波段处于 200‑280 nm 的日盲光电化学器件背景噪声低，可实现高保真通信，成为当前研究热点。常见构建日盲光电化学器件的材料包含金刚石、AlGaN 与氧化镓（Ga₂O₃）。其中金刚石制备成本高；AlGaN 需要高真空环境与精准组分调控；与之相对带隙处于 3.9‑4.9 eV 的 Ga₂O₃ 具有无需组分调控即可获得日盲光谱响应，工艺兼容性高等优势。然而其固‑液界面存在的光腐蚀问题，造成 Ga₂O₃ 基光电化学器件稳定性较差。现有掺杂、异质结改性手段往往会带来材料吸收光谱红移，破坏其日盲选择特性。而纳米颗粒光沉积改性可以改善载流子输运，该团队选择四氧化三钴（Co₃O₄）纳米颗粒对 Ga₂O₃ 纳米柱阵列进行原位光沉积改性，构建 Ⅱ 型异质结，期望加速固‑液界面光生空穴转移，抑制界面晶格损伤，在不牺牲日盲响应特性前提下，提升器件的响应性能与长期工作稳定性，搭建高性能水下光通信系统。

        自供电型日盲紫外光电化学（PEC）器件具备抗可见光干扰的能力，在水下光通信（UOC）领域拥有巨大应用潜力。氧化镓（Ga₂O₃）是一种超宽禁带的天然日盲光敏材料，已被广泛应用于光电化学器件。但是，固‑液界面的光腐蚀现象造成 Ga₂O₃ 基光电化学器件存在响应度低、稳定性差的问题。纳米颗粒改性技术是改善光生载流子传输路径、抑制副反应的有效手段。该团队通过原位光沉积，在 Ga₂O₃ 纳米柱阵列上构筑分布均匀的四氧化三钴（Co₃O₄）纳米颗粒改性层。Co₃O₄ 纳米颗粒不仅可作为保护层，隔绝 Ga₂O₃ 与液体接触、抑制晶格分解，还能与Ga₂O₃ 形成交错型 Ⅱ 型异质结，促进光生空穴析出并参与氧化还原反应，进而提升载流子分离动力学性能。经过优化的光电化学器件响应上升时间为 34.6 ms，响应度为 17.27 mA·W⁻¹，分别是原始器件的 4.3 倍和 1.6 倍。值得注意的是，在 7200 s 连续光开关测试中，光电流衰减率从 67% 下降至 0.3%，器件长期稳定性得到显著提升，性能远超目前已报道的镓基日盲水下光通信器件。令人欣喜的是，基于 Co₃O₄@Ga₂O₃ 光阳极搭建的水下光通信系统，即便在长期液态工作环境中，也能够实现高保真、自驱动信号传输以及实时解码，为高性能日盲系统的实现奠定基础。

        ①该团队通过原位光沉积法，在 Ga₂O₃ 纳米柱阵列上均匀修饰了 Co₃O₄ 纳米颗粒，构建了 Co₃O₄@Ga₂O₃ 复合结构，形成了 II 型异质结，促进了光生空穴的提取。

        ②优化后的 Co₃O₄@Ga₂O₃ 光电化学器件响应时间缩短至 34.6 ms，响应度达到 17.27 mA·W⁻¹，分别是原始 Ga₂O₃ 器件的 4.3 倍和 1.6 倍。

        ③在连续 7200 秒的光开关测试中，该团队制备的器件光电流衰减率仅为 0.3%，远优于原始 Ga₂O₃ 器件的 67%，展现出卓越的长期运行稳定性。

        ④该团队基于 Co₃O₄@Ga₂O₃ 光阳极构建的水下光学通信系统，系统模拟实现了高保真、自供电的信号传输与实时解码，为构建高性能日盲水下通信系统奠定了基础。

        该团队借助简易原位光沉积技术制备得到 Co₃O₄@Ga₂O₃ 纳米柱阵列，实现高效稳定的日盲光电化学器件。作为析氧反应高效助催化剂，Co₃O₄ 可以抽取 Ga₂O₃ 表面光生空穴，参与固-液界面反应，抑制光腐蚀，提升器件稳定性。此外 Co₃O₄ 可以与 Ga₂O₃ 构建 Ⅱ 型能带排列，加速光生载流子分离，进一步提高器件响应度。经过优化的 Co₃O₄@Ga₂O₃ 探测器展现出优异的日盲光响应与稳定性能，响应度提升至原始器件的 163 ％，连续工作 7200 s 之后衰减率仅为 0.3 %。这使 Co₃O₄@Ga₂O₃ 光阳极成为日盲光电化学系统极具前景的候选材料，为后续水下光通信应用奠定器件基础。

        该工作得到了国家自然科学基金（项目号：62274148, 62374147）、国家自然科学基金联合基金（项目号：U23A20349）、杭州市自然科学基金（项目号：2024SZZRDF040001）、浙江省自然科学基金（项目号：LQN26F050017）、浙江理工大学校内基金（项目号：24062240-Y）以及浙江理工大学嵊州创新研究院基金（项目号：25200565-J）的支持。

图 1 (a) 光沉积示意图；(b) X 射线衍射（XRD）谱图；(c-d) 扫描电镜（SEM）表面形貌；(e) 截面形貌；(f) X 射线光电子能谱（XPS）全谱；(g) Co 2p 精细谱；(h) Co₃O₄@Ga₂O₃ 纳米柱阵列的 UV-vis 光谱。

图 2 (a) Co₃O₄@Ga₂O₃ 光电化学器件工作原理示意图；(b) 光沉积改性前后光响应对比；(c) 不同前驱体添加量下改性前后光电流变化量（ΔI）；(d) 原始 Ga₂O₃ 器件响应时间；(e) Co₃O₄@Ga₂O₃ 器件响应时间； Co₃O₄@Ga₂O₃ 器件在不同 (f) 偏压、(g) 光强条件下的光响应特性。

图 3. Co₃O₄@Ga₂O₃ 器件：(a) 开路电压瞬态曲线（OCPT）；(b) 莫特‑肖特基（Mott‑Schottky）曲线；(c) 平带电位随前驱体溶液体积的变化；不同改性程度对光腐蚀现象的影响：(d) 未改性；(e) 适度改性；(f) 过度改性。

图 4. 能带结构示意图：(a) 原始 Ga₂O₃ 器件；(b) 暗态条件下的 Co₃O₄@Ga₂O₃ 器件；(c) 紫外光照条件下的 Co₃O₄@Ga₂O₃ 器件；(d) 施加偏压条件下的 Co₃O₄@Ga₂O₃ 器件。

图 5. (a) α‑Ga₂O₃ 器件与 (b) Co₃O₄@Ga₂O₃ 器件稳定性对比。

图6.  基于 Co₃O₄@Ga₂O₃ 器件的自供电日盲水下光学通信系统示意图。

DOI：

10.1016/j.mtphys.2026.102207