CuOx /AlGaN纳米线异质结实现131.5%量子效率的自驱动光电化学紫外探测

为解决自驱动光电化学（PEC）探测器量子效率不足100%的瓶颈，南京邮电大学等团队通过构建CuOx /AlGaN纳米线异质结，利用多激子生成（MEG）效应和耗尽层能带调控，实现了131.5%的外量子效率（EQE）和270.6 mA W-1 响应度。该研究为无外偏压的高效紫外弱光探测与成像提供了新策略，发表于《Nature Communications》。

　　

在追求碳中和的工业体系中，自驱动光电器件因其无需外部供电的特性成为研究热点。然而，传统光电化学（PEC）探测器受限于缺乏载流子倍增机制，量子效率（EQE）难以突破100%的理论极限。这一瓶颈严重制约了其在弱光紫外成像等领域的应用。如何在不依赖外部偏压的条件下实现高效光电流增益，成为亟待解决的科学难题。

南京邮电大学联合多家机构的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们通过巧妙设计p型CuO_x
（铜氧化物复合物）/n型AlGaN纳米线异质结，结合多激子生成（MEG）效应和耗尽层能带调控，成功研制出EQE高达131.5%的自驱动PEC紫外探测器。

研究团队采用分子束外延（MBE）生长AlGaN纳米线，通过化学浴沉积（CBD）构建CuO_x
修饰层。关键实验技术包括：1）瞬态吸收光谱（TA）解析MEG动力学；2）有限时域差分（FDTD）模拟光场分布；3）电化学阻抗谱（EIS）分析界面电荷转移；4）Silvaco TCAD能带仿真。使用Na₂
SO₄
电解液体系进行光电性能测试。

Reach-through能带弯曲调控
通过调控CuO_x
沉积时间（10-50分钟），发现30分钟样品（CBD-30）形成完全耗尽的"reach-through"能带结构。XPS证实Cu⁺
/Cu²⁺
比例为1:1的复合相，TEM显示20 nm厚CuO_x
层覆盖纳米线。这种结构产生强内置电场，使载流子分离效率提升6.1倍。

突破量子效率极限
在255 nm紫外光（5 μW cm^-2
）照射下，器件表现出270.6 mA W^-1
的响应度和131.5%的EQE。TA光谱证实4.13 eV光子激发时CuO_x
的量子产率达1.8，而3.4 eV时仅0.98，明确验证MEG效应。FDTD模拟显示短波长光场集中于CuO_x
/AlGaN界面，促进激子快速分离。

高速弱光成像应用
器件响应速度达183.3 μs（上升）/154.6 μs（下降），-3 dB截止频率>10 kHz。在50,000秒稳定性测试中性能衰减<5%。通过"蝴蝶"图案掩膜实验，证实其较原始AlGaN探测器显著提升的成像分辨率。

这项研究首次将MEG效应与PEC系统结合，通过能带工程解决了自驱动探测器量子效率受限的难题。其创新点在于：1）利用耗尽层CuO_x
实现激子倍增与高效提取；2）type-II异质结加速载流子分离；3）开辟了无外偏压紫外成像新途径。该工作为发展下一代高效自驱动光电器件提供了理论依据和技术路线，在环境监测、生物传感等领域具有重要应用前景。