利用氯化物辅助的化学气相沉积法制备γ-Ga?O?纳米片，用于太阳能盲区紫外线检测及电弧检测

《Journal of Alloys and Compounds》：Chloride-assisted chemical vapor deposition of γ-Ga 2O 3 nanosheets for solar-blind ultraviolet and electric arc detection

　　

摘要

二维亚稳态γ-Ga?O?是一种有前景的适用于太阳盲紫外光检测的材料；然而，由于其有缺陷的尖晶石结构和有限的相稳定性，其可控合成仍然具有挑战性。在这里，我们报道了一种无催化剂、氯辅助的化学气相沉积方法来生长γ-Ga?O?纳米片。该方法适用于多种氯源和刚性基底，展示了广泛的前驱体和基底适应性。结构表征显示，这些纳米片具有高结晶度，并且主要暴露出(111)晶面，没有检测到残留的氯。由这些凝聚的纳米片网络制成的金属-半导体-金属太阳盲光探测器在254纳米光照下表现出约643 mA/W的响应率，计算的比探测率为4.15 × 1013 Jones，响应时间为约20毫秒。该设备还能够在白天和夜间背景条件下无需滤波器即可检测高压电弧，并且在高达300°C的温度下保持低暗电流。这些结果为合成亚稳态二维氧化物提供了一条通用的途径，并展示了γ-Ga?O?纳米片在太阳盲光电学和高温电气安全监测中的潜力。

引言

超宽带隙半导体因其在恶劣环境中的应用而受到广泛关注[1]。在各种候选材料中，氧化镓（Ga?O?）因其较大的带隙（约4.6-4.9 eV）、高的击穿电场和可靠的化学稳定性而成为一种有前途的材料[2][3]。这种内在的宽带隙非常适合太阳盲紫外（UV，200-280 nm）光谱，使Ga?O?成为太阳盲光探测器的理想选择。这类设备在电弧检测中非常有用，这对于高压电网安全监测、工业危险预防和火灾预警系统至关重要，这些系统需要实时和高选择性的紫外诊断[4][5]。

为了最大化光电性能，将Ga?O?缩小到二维（2D）纳米片结构成为一种有效策略[6]。与块状或薄膜形式相比，2D Ga?O?纳米片具有超高的表面积与体积比、缩短的载流子传输路径以及增强的光-物质相互作用[7]。这些几何优势显著提高了光生载流子的提取效率和响应速度，满足了快速检测瞬态电弧的严格要求。

在Ga?O?的主要多晶型中，γ-Ga?O?是一种fcc型的尖晶石氧化物，其(111)晶面的低表面能促进了优先的横向生长，从而形成了二维纳米片结构[8]。同时，γ-Ga?O?在有缺陷的尖晶石结构中结晶，提供了独特的缺陷状态和高光电灵敏度[9]。目前，获得2D γ-Ga?O?依赖于机械剥离（产量低）或水热方法（转移复杂），这阻碍了它们直接集成到设备中[10][11]。相比之下，化学气相沉积（CVD）作为一种自下而上的技术脱颖而出，具有大面积均匀性、高结晶度以及与原位设备制造的完美兼容性[12]。然而，通过CVD直接可控地生长2D单晶γ-Ga?O?纳米片面临着显著的热力学和动力学挑战。作为一种低温亚稳相（通常在400-600°C形成），γ-Ga?O?在高温CVD条件下容易不可逆地转变为稳定的β相，这使得平衡前驱体反应动力学与相保持变得困难[13]。尽管内在的密集阳离子空位赋予了γ-Ga?O?独特的性质，但它们在结晶过程中会严重破坏晶格对称性，从而倾向于形成多晶或非晶态，而不是高度有序的2D单晶[14]。

为了解决这些限制，我们在这里报道了一种在常见刚性基底上合成高质量γ-Ga?O?纳米片的稳健且无催化剂的CVD策略。系统地研究了所生长γ-Ga?O?纳米片的结构、组成和光电性能。得益于其高结晶质量和2D形态，基于这些直接生长的纳米片制成的光探测器展示了有竞争力的太阳盲特性和对电弧辐射的强灵敏度。这项工作不仅为可控合成亚稳态2D Ga?O?提供了一种有效策略，还强调了其在先进工业安全检测中的潜力。

部分摘录

样品制备

合成是在装有双气体输送系统的单区水平管式炉中进行的（图S1）。将金属镓（Ga，Macklin，99.999%，0.5克）和NH?Cl（Macklin，99%，1克）的混合物放入石英管上游端的石英舟中。生长基底（主要是300纳米SiO?/Si晶片、<111>方向的Si和c面Al?O?）位于前驱体舟中心下游5厘米处。石英管被插入

结果与讨论

通过氯辅助的蒸汽传输CVD工艺实现了2D γ-Ga?O?纳米片的无催化剂生长。如图1a所示，金属Ga和NH?Cl作为目标前驱体。一个合理的氯介导路径涉及在基底附近原位形成挥发性GaCl?物种，然后发生水解。

结论

总之，通过氯辅助的CVD策略成功合成出了2D γ-Ga?O?纳米片。结构和光学表征证实了Ga和O的均匀分布、纳米级的片状形态、宽的光学带隙以及纳米片对深紫外光的强吸收。该方法还展示了与不同氯源和基底的兼容性。得益于纳米片网络的结构优势和内在特性

CRediT作者贡献声明

Tengfei Huang：可视化、验证、研究。Ruipeng Hou：可视化、验证、研究。Lei Wang：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、验证、研究、资金获取、正式分析。Baocheng Yang：可视化、验证、研究。Shouren Zhang：可视化、验证、研究。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Lei Wang报告获得了中国国家自然科学基金会的财政支持。Lei Wang报告获得了河南省科技项目的行政支持。Lei Wang报告获得了河南省高校重点研究项目的行政支持。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金会（项目编号12504491）、河南省科技项目（项目编号262102210250）、河南省高校重点研究项目（项目编号26B430013）、河南省纳米复合材料与应用重点实验室开放研究基金（项目编号0203250099）以及郑州市基础研究与应用基础研究专项基金项目的支持。