基于FeSi?/Ga?O?纳米晶异质结的反偏驱动异常极性切换现象在太阳盲光敏探测器中的应用

《Applied Surface Science》：Reverse-bias driven anomalous polarity switching in FeSi 2/Ga 2O 3-NRs heterojunction based solar-blind photodetector

基于FeSi?与Ga?O?-NRs异质结的光探测器实现反向偏压下的极性切换，适用于窄带太阳盲紫外-C检测，具有1年稳定性。

　　近年来，随着光电子技术的快速发展，光探测器在信息传输、传感和通信等领域发挥着越来越重要的作用。特别是在安全性和隐蔽性需求日益增长的背景下，具有极性切换特性的光探测器因其能够根据入射光波长或施加的偏压来改变光电流的方向，而备受关注。这种独特的功能使其在光学逻辑运算、光控人工突触以及双通道通信等方面展现出广阔的应用前景。目前，大多数已报道的极性切换光探测器主要依赖于波长驱动的切换机制，而由电压驱动的极性切换则较为少见，尤其是在窄带设备中，如用于安全紫外线（UV-C）通信的设备。因此，开发一种能够在特定电压条件下实现极性切换的光探测器，成为当前研究的一个重要方向。

本研究中，我们提出了一种基于FeSi?/Ga?O?纳米柱（Ga?O?-NRs）异质结构的光探测器，该设备仅在施加反向偏压的情况下表现出极性切换特性。在254纳米的光照条件下，该探测器的光电流方向由负变正，提供了一种新颖的加密太阳盲检测方法。通过X射线光电子能谱（XPS）和开尔文探针力显微镜（KPFM）分析的能带排列，我们深入探讨了该设备的工作机制。此外，该设备在常温下存放一年后仍表现出优异的性能稳定性，无需封装即可保持一致的响应特性。这种极性切换行为在太阳盲光探测器中的实现，为加密光信号处理和安全UV-C成像提供了一条可行的路径，同时减少了环境背景噪声的影响。

太阳盲光探测器（SBPDs）或深紫外线（deep-UV）光探测器，是专门设计用于检测紫外线-C（UV-C）辐射的设备。UV-C辐射通常不在自然阳光中存在，因此这些探测器在火焰检测、太空探索、臭氧层监测、电弧检测以及安全UV通信等特殊应用场景中具有重要价值。氧化镓（Ga?O?）作为一种具有4.6至5.3电子伏特（eV）带隙范围（取决于晶体结构）的材料，已被广泛认为是太阳盲光探测器的理想选择。除了其固有的太阳盲特性（峰值灵敏度低于280纳米）外，Ga?O?还表现出优异的抗辐射能力、高击穿电场电压以及出色的热和化学稳定性，其熔点约为1780摄氏度。尽管具备这些优势，Ga?O?缺乏p型掺杂的特性，仍然是开发高性能自供电光探测器的一个主要障碍。为了克服这一挑战，研究者们探索了单极器件或异质结结构等策略，并取得了一定的成果。

极性切换光探测器因其能够根据入射光波长的变化或施加偏压的极性改变而反转光电流方向，而成为光电子传感器领域的一个研究热点。这种独特的特性使其在安全光通信系统、光控人工突触和集成光电设备等先进应用中具有吸引力。在这一方向上，Xu等人成功制备了一种基于氮化镓（GaN）和掺杂的In/Sn-Ga?O?纳米柱的p-n结光探测器，实现了基于入射光波长变化的超高双极响应。该设备在254纳米光照下表现出正向光电流响应，而在365纳米光照下则转变为负向光电流响应。同样，Wan等人开发了一种用于可见盲检测的GaN/ZnO:Ga/GaAs双异质结光探测器，该设备在自供电条件下表现出对紫外线和红外线的双波段响应。在紫外线照射下，设备产生正向光电流，而在红外线照射下则表现出负向光电流。Tsanakas等人则开发了一种基于同型n?-ZnO/n-Si异质结的波长选择性自供电光探测器，该设备的性能取决于ZnO和Si的载流子浓度。在负向偏压下，设备能够进行宽带光检测，而在正向偏压下则仅对近红外线（NIR）进行检测。然而，这类依赖波长的极性切换机制通常会导致较高的背景噪声，给实际应用中的窄带光探测器带来显著挑战。

本研究中，我们选择了UV-C波段，因此采用带隙位于UV-C范围内的Ga?O?与带隙位于近红外范围内的FeSi?形成异质结。这种异质结构的构建使得设备的极性切换行为不再依赖于波长的变化，而仅在施加反向偏压时发生，从而实现了窄带、太阳盲的UV-C检测。此外，FeSi?作为一种具有固有p型导电性、高吸收系数（约10? cm?1）、直接带隙范围在0.85至0.87 eV之间以及固有热电特性的材料，被证明是构建此类异质结的理想选择。Ga?O?-NRs则因其较大的表面积与体积比，显著增强了光吸收能力，提高了整体设备的性能。通过XPS深度分析和KPFM技术进行的能带排列研究显示，该异质结构呈现出一种I型能带对齐，这为设备的极性切换提供了理论基础。

在实验过程中，我们采用了简便的工艺来制备FeSi?与Ga?O?-NRs组成的异质结构。首先，使用商业化的二氧化硅（SiO?）涂层硅基板，通过超声波清洗在丙酮中进行10分钟的预处理，随后使用紫外-臭氧清洗进行30分钟的表面处理。处理后的基板被放置在配备双轴旋转机构的倾斜角沉积（GLAD）系统中，通过真空兼容的步进器和电子束蒸发源进行材料沉积。Ga?O?的蒸发源加载了Ga?O?颗粒（直径17毫米，厚度10毫米）和粉末，确保了纳米柱的均匀生长。通过这种工艺，我们成功构建了具有优异光电性能的FeSi?/Ga?O?-NRs异质结构。

在结果与讨论部分，我们通过实验验证了该异质结构的极性切换特性。图1(b)展示了薄膜的光学图像，表明FeSi?薄膜部分覆盖在Ga?O?-NRs上，其余部分则暴露在外。Ga?O?-NRs的形貌显示出连续的层状结构，纳米柱之间具有较强的连接性，如图S1（补充信息）所示。图1(c)提供了横截面的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像，确认了Ga?O?-NRs的厚度约为180纳米。此外，Ga?O?-NRs的排列方向与基板表面呈约60度的倾斜角，这种结构有利于提高光吸收效率。在实验测试中，我们发现该异质结构在反向偏压条件下表现出显著的极性切换特性，其光电流方向在254纳米光照下由负变正。这一特性使得该设备能够在太阳盲条件下实现对UV-C辐射的高灵敏度检测，同时有效降低环境背景噪声的影响。

进一步分析表明，该异质结构在正向偏压和反向偏压条件下的载流子传输机制存在显著差异。在正向偏压下，载流子主要通过Ga?O?-NRs的表面进行传输，而在反向偏压下，载流子则主要在FeSi?与Ga?O?-NRs的界面处进行迁移。这种界面效应使得设备在反向偏压下表现出更强的光电响应能力，从而实现了极性切换。此外，该设备在长期存放后仍能保持稳定的性能，这表明其在实际应用中具有良好的可靠性和耐久性。这种稳定性对于需要长时间运行的设备，如安全通信系统和环境监测设备，具有重要意义。

本研究的成果不仅为开发高性能、自供电的太阳盲光探测器提供了新的思路，也为实现加密光信号处理和安全UV-C成像提供了一条可行的技术路径。通过将FeSi?与Ga?O?-NRs异质结构相结合，我们成功构建了一种能够在特定电压条件下实现极性切换的光探测器，其性能在多个方面均优于传统单层光探测器。此外，该设备的极性切换特性与波长无关，这为实际应用中对波长选择性要求较低的场景提供了更大的灵活性。同时，其在常温下存放一年后仍能保持一致的响应特性，表明其具有优异的环境适应性和长期稳定性。

在结论部分，我们总结了本研究的主要发现。通过将FeSi?与Ga?O?-NRs异质结构相结合，我们成功构建了一种能够在反向偏压条件下实现极性切换的光探测器。该设备在UV-C波段表现出优异的太阳盲检测能力，其光电流方向在254纳米光照下由负变正，为加密光信号处理和安全UV-C成像提供了新的解决方案。此外，该设备的性能在长期存放后仍保持稳定，这为其在实际应用中的可靠性提供了保障。通过本研究，我们不仅验证了异质结构在极性切换光探测器中的有效性，还为未来在光电子器件设计中的材料选择和结构优化提供了重要的参考依据。

综上所述，本研究提出了一种基于FeSi?/Ga?O?-NRs异质结构的新型极性切换光探测器，其在反向偏压条件下表现出对UV-C辐射的高灵敏度检测能力，同时具有较低的背景噪声和优异的环境稳定性。这一成果不仅拓展了极性切换光探测器的应用范围，也为实现安全通信和光电子器件的集成化提供了新的技术路径。未来的研究可以进一步探索该异质结构在不同环境条件下的性能表现，以及其在实际应用中的优化方案，以推动其在光电子领域的广泛应用。