学术研究报告：基于氧空位调控的非晶Ga₂O₃薄膜自供电光电化学型日盲光电探测器阵列及其水下成像应用

一、作者与发表信息
本研究由重庆师范大学物理与电子工程学院光电功能材料与激光技术重庆市重点实验室的Ke Ding、Hong Zhang、Jili Jiang等团队完成，通讯作者为Wanjun Li教授。研究成果发表于期刊*Advanced Science*，发表日期为2024年9月30日，文章DOI为10.1002/advs.202407822。

二、学术背景
水下成像技术在海洋勘探与目标侦测中至关重要，但传统光电探测器（PDs）易受可见光和紫外光背景干扰，且需高成本封装。日盲紫外（UV-C，200–280 nm）波段因臭氧层吸收形成天然“日盲区”，可显著降低背景噪声。光电化学型光电探测器（PEC-PDs）无需外部偏压，可直接暴露于电解质中，适合水下环境。然而，现有PEC-PDs面临响应速度与响应度难以兼顾的挑战，尤其是非晶Ga₂O₃（a-Ga₂O₃）薄膜因氧空位（Vo）缺陷导致载流子复合与陷阱效应，影响性能。本研究旨在通过调控Vo浓度，优化a-Ga₂O₃基自供电PEC-PDs的响应性能，并验证其水下成像潜力。

三、研究流程与方法
1. 材料制备与表征
- 薄膜沉积：采用射频磁控溅射（RF magnetron sputtering）在室温下制备a-Ga₂O₃薄膜，通过调节氧气流量（0.0–1.0 sccm）控制Vo浓度。薄膜厚度统一为360 nm，基底为FTO导电玻璃。
- 结构分析：通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）确认非晶结构；X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）定量分析Vo浓度，显示Vo浓度随氧气流量增加而降低。
- 光学性能：紫外-可见吸收光谱测得薄膜带隙为4.62±0.03 eV，与Vo浓度无关。

1. 器件组装与测试

   • PEC-PDs构建：以a-Ga₂O₃薄膜为光阳极，铂片为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，电解液为0.5 M Na₂SO₄溶液或海水。
     
   • 性能评估：在254 nm UV-C光源下测试自供电性能，记录光电流-时间（I-t）曲线、开路电位（OCP）及电化学阻抗谱（EIS）。
     

2. 机理研究

   • 载流子动力学：通过瞬态光电流分析Vo介导的间接复合机制；结合OCP和EIS数据，阐明Vo对电荷转移、表面催化及复合过程的影响。
     

3. 水下成像验证

   • 阵列集成：制备5×5矩阵的a-Ga₂O₃ PEC-PD阵列，在渤海湾海水中测试成像能力，通过3D电流映射评估均匀性与分辨率。
     

四、主要结果
1. 性能优化：氧气流量为0.6 sccm时，器件响应度达33.75 mA W⁻¹，响应时间为12.8 ms（上升）/31.3 ms（下降），优于多数同类器件（图2）。
2. Vo作用机制：
- 高Vo浓度（0 sccm）：增强电荷转移与表面催化，但Vo介导的间接复合严重，导致载流子寿命缩短（EPR信号强度高）。
- 适度Vo（0.6 sccm）：平衡复合与转移，延长载流子寿命（fmax=6310 Hz），响应度与速度同步提升。
- 低Vo（1.0 sccm）：电荷转移能力弱化，表面空穴积累加剧直接复合（图3）。
3. 瞬态电流现象：首次光照周期出现异常光电流尖峰（Jtransient），与Vo浓度正相关，证实Vo缺陷导致载流子隧穿与界面复合（图4）。
4. 水下成像：阵列在海水环境中稳定工作，成功识别“C”“N”“U”等字符，暗电流波动为0.4–1.6 nA，光电流分辨率达55–160 nA（图5）。

五、结论与价值
本研究通过可控氧空位工程，实现了a-Ga₂O₃基PEC-PDs响应性能的协同优化，揭示了Vo介导的载流子动力学机制，并首次验证其日盲水下成像能力。科学价值在于：
1. 提出“平衡Vo浓度以调控复合与转移”的新策略，为宽禁带半导体缺陷工程提供理论依据。
2. 开发低成本溅射工艺，推动非晶氧化物半导体在自供电探测器中的应用。
应用价值体现在：无需外部电源与复杂封装，可直接用于海洋环境监测、军事侦察等领域。

六、研究亮点
1. 创新方法：通过单步溅射工艺实现Vo梯度调控，避免高温或复杂后处理。
2. 性能突破：响应度（33.75 mA W⁻¹）与速度（12.8 ms）均优于现有a-Ga₂O₃基PEC-PDs。
3. 现象发现：首次关联瞬态电流尖峰与Vo浓度，为缺陷物理研究提供新视角。
4. 应用验证：阵列成像系统在真实海水中表现稳定，具备工程化潜力。

七、其他价值
研究还发现，高光强（400 μW cm⁻²）会加剧载流子复合（CQR增至60%），为器件工作条件优化提供参考（图4f）。此外，薄膜在海水中的耐腐蚀性（SEM验证）进一步支持其环境适应性。