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主要作者及研究机构
本研究由Xuan Wang、Ke Ding、Lijuan Huang、Xudong Li、Liyu Ye、Jiangshuai Luo、Jili Jiang、Honglin Li、Yuanqiang Xiong、Lijuan Ye、Di Pang、Yan Tang、Wanjun Li、Hong Zhang和Chunyang Kong共同完成。研究机构包括重庆师范大学物理与电子工程学院光电功能材料重庆市重点实验室和中国科学技术大学微电子学院。该研究于2023年12月2日在线发表在《Applied Surface Science》期刊上,文章编号为159022。
学术背景
本研究属于光电化学(photoelectrochemical, PEC)领域,聚焦于深紫外(deep-ultraviolet, DUV)光电探测器的性能提升。随着Ga₂O₃基深紫外光电探测器的发展,将其集成到阵列图像传感器中成为一个重要目标。然而,目前关于太阳盲区(solar-blind)成像的研究主要集中在固态Ga₂O₃基光电探测器上,而光电化学型光电探测器(PEC-PDs)在太阳盲区成像中的应用研究仍存在较大空白。本研究旨在通过构建α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃核壳纳米棒阵列(core-shell nanorod arrays, NRAs)来增强自供电太阳盲区光电化学型光电探测器的性能,并探索其在太阳盲区成像中的应用潜力。
研究流程
材料合成
- α-Ga₂O₃纳米棒阵列的制备:采用水热法和后煅烧法在FTO(氟掺杂氧化锡)基底上合成α-Ga₂O₃纳米棒阵列。首先将FTO基底依次用酒精、丙酮和去离子水清洗,然后在氮气环境下干燥。随后,将FTO基底放入含有0.3 mol/L Ga(NO₃)₃·9H₂O和0.075 M NaOH的水溶液中,pH值调至5,并在180°C下加热24小时。最后,将生成的GaOOH纳米棒阵列在400°C下真空煅烧4小时,得到α-Ga₂O₃纳米棒阵列。
- α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃核壳纳米棒阵列的制备:采用原子层沉积(atomic layer deposition, ALD)技术在α-Ga₂O₃纳米棒阵列上沉积非晶Al₂O₃(a-Al₂O₃)薄膜。使用三甲基铝(TMA)和水作为铝和氧源,沉积温度为200°C。通过控制沉积循环次数(10、30、60和100次)来调节薄膜厚度。
器件制备
- 在图案化的5×5矩阵FTO基底上制备α-Ga₂O₃和α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃光电电极阵列,每个像素的有效面积约为3×3 mm²。
表征与测试
- 结构分析:使用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)对样品进行结构表征。
- 光电化学性能测试:使用CHI440C电化学工作站进行光电化学性能测试。测试系统为三电极系统,包括工作电极(α-Ga₂O₃或α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃)、参比电极(饱和甘汞电极)和对电极(铂片)。电解质为0.5 mol/L Na₂SO₄水溶液,光源为254 nm和365 nm的紫外灯。
主要结果
材料表征
- FE-SEM和TEM图像显示,α-Ga₂O₃纳米棒阵列具有菱形顶部,平均长度和直径分别为1.1 μm和220 nm。XRD分析证实了α-Ga₂O₃纳米棒阵列的成功制备。
- TEM和EDS元素映射分析表明,α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃核壳结构成功形成,Al₂O₃层的厚度约为4.3 nm。
光电化学性能
- 在254 nm深紫外光照下,α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃器件的光电流密度从4.60 μA/cm²显著提高到11.24 μA/cm²,响应率从9.60 mA/W增加到22.70 mA/W。
- 通过优化Al₂O₃沉积循环次数,发现30次沉积循环时器件的光电流达到最大值(3.14 μA)。
- α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃器件在215-275 nm波长范围内表现出更强的响应,且其紫外-可见光抑制比(UV-visible rejection ratio)从63.41提高到73.74。
自供电太阳盲区成像
- 首次使用5×5矩阵的α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃光电化学型光电探测器进行自供电太阳盲区成像实验,成功捕获了字母“C”和“N”的形状。
结论
本研究通过水热法、后煅烧法和原子层沉积技术成功制备了α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃核壳纳米棒阵列,显著提升了α-Ga₂O₃纳米棒阵列的太阳盲区深紫外探测性能。其优异性能归因于α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃异质结界面形成的内建电场,促进了光生载流子的分离和定向传输。此外,本研究首次构建了5×5矩阵的α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃自供电成像系统,展示了其在太阳盲区成像中的潜力。这项工作为构建低成本、高效的自供电太阳盲区深紫外光电化学型成像系统提供了一种简单有效的方法,展示了Ga₂O₃基光电化学型光电探测器在光通信、数字显示和传感等领域的广泛应用前景。
研究亮点
- 创新性材料设计:通过构建α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃核壳纳米棒阵列,显著提升了光电化学型光电探测器的性能。
- 自供电太阳盲区成像:首次实现了基于光电化学型光电探测器的自供电太阳盲区成像,展示了其在成像技术中的应用潜力。
- 低成本制备工艺:采用水热法和原子层沉积技术,简化了电极材料的制备过程,降低了成本。
其他有价值的内容
本研究还详细分析了α-Ga₂O₃@a-Al₂O₃异质结的能带排列,揭示了其光电化学性能提升的机制。此外,研究还探讨了Al₂O₃薄膜厚度对器件性能的影响,为优化器件设计提供了重要参考。