α-Ga?O?/Nb?CT?异质结的制备用于自供电、光电化学的太阳盲紫外光探测器

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Construction of α-Ga 2O 3/Nb 2CT x heterojunction for self-powered photoelectrochemical solar-blind ultraviolet photodetectors

光电性能提升的α-Ga?O?/Nb?CT?异质结自供电太阳能盲紫外光探测器研究。通过水热与旋涂工艺构建异质结，器件在254 nm紫外光下无偏压工作时，PDCR达58.1，响应度35.4 mA/W，探测度2.6×1011 Jones，较纯α-Ga?O?提升2.4、2.1、2.2倍，响应时间0.2/0.1秒，长期稳定性优异，适用于导弹追踪等领域。

　　本研究中，研究人员成功构建了一种基于α-Ga?O?/Nb?CT?异质结的自供电光电化学（PEC）型太阳盲紫外（UV）光探测器。这种新型探测器在不依赖外部电源的情况下，能够在254纳米的紫外光照射下表现出优异的光电性能。与纯α-Ga?O?的PEC光探测器相比，该异质结探测器在光暗电流比（PDCR）方面提升了2.4倍，在响应率（R）方面提高了2.1倍，在探测度（D*）方面增强了2.2倍。此外，该探测器还具备快速的响应速度（0.2秒/0.1秒）和良好的长期稳定性，为太阳盲紫外光探测领域提供了具有应用前景的新材料体系。

太阳盲紫外光探测器因其能够选择性地检测短波紫外光（200–280纳米）而不受地面阳光干扰，广泛应用于军事和民用领域，例如导弹预警与追踪、安全通信和环境监测等。为了提升这类探测器的性能，研究人员通常采用宽禁带半导体材料，如ZnGa?O?、AlGaN和Ga?O?，这些材料可以有效地吸收光并产生电荷载流子，从而实现高效的光电转换。其中，Ga?O?因其合适的禁带宽度（4.2–5.2电子伏特）、高饱和迁移率和吸收系数，成为太阳盲紫外光探测器的理想材料之一。然而，Ga?O?在实际应用中仍面临一些挑战，如较低的响应率、较慢的响应速度以及对外部电源的依赖。因此，构建Ga?O?与其它材料的异质结成为改善其性能的一种有效策略。

MXene作为一种新兴的二维材料，因其出色的导电性、良好的光学透明度、较高的载流子迁移率、丰富的表面官能团以及能够与其他材料形成范德华异质结的特性，被认为是构建光电器件的一种有前景的方案。MXene的种类繁多，其中Ti?C?T?因其广泛的应用而受到关注，但研究显示，Nb?CT?在特定条件下表现出更高的比表面积和更强的光电响应能力，使其成为构建太阳盲紫外光探测器的更优选择。尽管如此，关于Nb?CT?在太阳盲紫外光探测中的应用研究仍较为有限，这限制了其在实际应用中的潜力。因此，将Nb?CT?与Ga?O?结合形成合适的异质结构，为提升太阳盲紫外光探测器的光电性能提供了一种新的策略。

为了实现这一目标，研究人员采用了一种经济且简便的方法，构建了基于α-Ga?O?纳米棒阵列（NRAs）和少层Nb?CT?的自供电PEC型太阳盲紫外光探测器。α-Ga?O?纳米棒阵列是在钛片上通过水热和后续退火的方法制备的，而少层Nb?CT?则是通过旋涂和加热的方式沉积在α-Ga?O?纳米棒阵列表面。这种异质结构不仅提高了光探测器的光电性能，还增强了其长期稳定性和实际应用价值。

实验部分详细描述了材料的合成和表征方法。首先，通过氢氟酸（HF）溶液对Nb?AlC进行处理，从而去除Al原子层，形成多层Nb?CT?。随后，通过进一步的插层和剥离工艺，获得少层Nb?CT?。α-Ga?O?纳米棒阵列的制备则通过将含有硝酸镓（Ga(NO?)?·xH?O）、乙二醇甲醚（C?H?O?）和乙醇胺（C?H?NO）的种子溶液旋涂在钛片表面，并在高温下进行退火和水热反应，从而生长出具有棱柱状尖端和典型菱形结构的α-Ga?O?纳米棒阵列。通过扫描电子显微镜（SEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）等手段，研究人员对材料的微观结构和形貌进行了详细分析，确认了异质结构的成功构建。

在光电响应性能的测量中，研究人员使用了电化学工作站（CHI660E）进行测试，采用了标准的三电极系统。测试结果表明，α-Ga?O?/Nb?CT?异质结光探测器在254纳米紫外光照射下，表现出显著的光电响应特性。其响应率和探测度均优于纯α-Ga?O?光探测器，表明异质结结构对提升探测器性能具有重要作用。此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等技术，研究人员对材料的化学组成和价态进行了分析，进一步验证了异质结的形成及其对光电性能的积极影响。

在响应速度的测试中，研究人员通过测量光探测器在254纳米紫外光照射下的上升时间和下降时间，评估了其响应性能。结果表明，α-Ga?O?/Nb?CT?异质结光探测器的响应速度显著优于纯α-Ga?O?光探测器，这得益于Nb?CT?的高载流子迁移率和金属导电性，以及异质结结构对光生载流子复合的抑制作用。此外，研究人员还测试了不同偏压电压对探测器光电响应性能的影响，发现随着偏压电压的增加，光探测器的响应率和光电流均有所提高，表明通过调控偏压电压可以进一步优化其性能。

在长期稳定性测试中，研究人员对光探测器在1000秒内进行了多次电流-时间测试，结果表明，α-Ga?O?/Nb?CT?异质结光探测器在254纳米紫外光照射下表现出良好的稳定性，几乎保持初始的光电流水平，这表明其在实际应用中具有较强的耐用性。此外，通过测试不同波长的紫外光对探测器性能的影响，研究人员发现该异质结探测器在254纳米紫外光下表现出显著的光电响应，而在365纳米紫外光下几乎无响应，表明其具有良好的波长选择性，能够有效区分太阳光和紫外光，提高其在太阳盲探测中的适用性。

研究结果表明，α-Ga?O?/Nb?CT?异质结光探测器不仅具有自供电能力，还表现出较高的响应率、快速的响应速度和良好的长期稳定性，这使其成为太阳盲紫外光探测领域的理想材料。与之前报道的其他类型的Ga?O?基异质结光探测器相比，该探测器在整体性能上具有显著优势，为未来太阳盲紫外光探测技术的发展提供了新的思路和方向。