廈大物理蔡端俊課題組在海底光通信新型探測器研究方面取得重要進展

?研究背景：

海洋覆蓋了地球表面的三分之二，但對海底空間的探索仍處于早期階段。海底無線通信作為海洋研究的重要手段，不僅在海洋勘探領域，而且在軍事領域都發揮著重要的作用。在眾多技術中， 海底光通信（UOC）被認為是非常具有潛力的下一代海洋探測水下無線通信技術，但海水環境復雜而嚴苛，對光電探測器件密封性、穩定性有較高的要求，同時，海水對于光的吸收也會嚴重地限制信息的傳遞。人們發現海水中存在一條藍光信道，因此，研制一種海水友好、發射波段匹配、高性能、自供電的UOC光電探測器具有十分重要的意義。

成果掠影：

近日，Advanced?Functional?Materials期刊（IF=19.9）發表了廈大物理學院蔡端俊教授課題組、黃勝利教授課題組、康俊勇教授團隊的題為“High-Responsivity Natural-Electrolyte Undersea?Photoelectrochemical Photodetector with Self-Powered?Cu@GaN Nanowires Network”的最新研究成果論文。該論文開發了一種新型半導體核殼結構Cu@GaN納米線（NWs）網絡，利用海水本身就是導電性電解質的有趣特點，創新性提出直接利用海水作為天然電解質，研發了一種新型免密封的自供電光電化學（PEC）藍光通信探測器。提出在Cu NWs表面包裹Ga金屬，并經過高溫氮化工藝而形成高質量的GaN殼層的納米材料技術，同時利用Cu原子向GaN層徑向擴散機制，構造了Cu/GaN界面徑向肖特基結結構。該特殊結構得以同時實現藍光的窄帶檢測和光生載流子的快速分離，形成靈敏光電信號。基于該新型納米功能結構材料，成功設計并制造了一種高響應度、自供電的海底PEC光電探測器，該探測器通過微管道直接引入海水作為電解質，實現對藍光信號（458 nm）的靈敏穩定通信探測，獲得5.04?mA/W的高響應度和0.68?ms的快速響應時間。并在廈門周邊近太平洋海域的淺海和深海環境下，成功完成有效的現場穩定通信應用。

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核心創新點：

蔡端俊教授、黃勝利教授課題組，通過液相包裹和高溫滲氮工藝在Cu NWs表面合成了高質量的GaN殼層。并基于此結構設計了一種水下光電化學探測器，應用于UOC。具體突破性技術包括：

（1）核殼結構構建了帶有內置電場（從Cu到GaN）的徑向肖特基結，實現了電子的快速轉移和電荷的高效分離。

（2）Cu NWs核心互連網絡為電子提供了一維的快速通道，降低了表面復合的概率。

（3）設計流體微管，直接引入天然海水作為探測器件的電解液，從而使海底通信器件具有免密封和極佳的海水親和性，改善了器件在水下工作的可靠性和穩定性。

成果啟示

圖1.?Cu@GaN納米線和光電極的制作工藝示意圖：(a) Cu@Ga納米線的合成過程；(b) 光電極的制作過程；(c) 納米線網絡的氮化工藝。

圖2. (a) 沉積Au電極之后納米線網絡的OM圖像；(b) 銅箔包裹法原理示意圖；(c) 氮化工藝示意圖；分別在不同反應條件下NWs的SEM圖像：(d) 550°C、50 sccm NH₃、無銅箔膠囊；(e) 820°C、50 sccm、NH₃、銅箔膠囊包裹；(f) 900°C、50 sccm NH3、帶銅箔膠囊；(g) 氮化后沉積Au的NWs網絡的SEM圖像；(h)?單個Cu@GaN NW的TEM圖像和Cu(紅色)、Ga(綠色)、N(藍色)的EDS元素映射圖像；(i) Cu@GaN NW的TEM圖像；(j) Cu@GaN NW的HRTEM圖像；

圖3.?(a) Cu@GaN NWs的EDS圖譜；(b)?Cu@GaN NWs的UPS頻譜；分別為Cu@GaN NWs的 (c) N 1s、(d) Cu?2p、(e) Ga?3d XPS圖譜； (f) Cu@GaN NWs的Raman圖譜；(g) Cu@GaN NWs、Cu NWs和GaN粉末的XRD圖譜；(h)?隨波長變化下Cu NWs和Cu@GaN NWs的吸收光譜；(i) Cu@GaN NWs、Cu NWs和GaN粉末的PL圖譜。

圖4.?(a)?Cu原子從核擴散到GaN殼層的示意圖；(b) 銅摻雜前后的原子模型圖；(c)?不同Cu摻雜量的模型下的電子躍遷能；(d) 純GaN和Cu摻雜GaN (Cu=8.3%)的能帶結構圖；(e) Cu摻雜GaN結構的總態密度和投影態密度(Cu=8.3%)；(f) 對應摻雜模型的雜質級部分電荷密度，電荷密度等值面為1.7×10-5 e ?^-3；(g) 計算得到的Cu/Cu摻雜GaN界面原子模型；(h) 界面模型的電荷密度，電荷密度等值面為0.06 e ?^-3；(i) 構建DOS下CB和VB的能帶結構。

圖5.?(a)?基于自供電Cu@GaN NWs的PEC PD原理示意圖；(b) 458 nm光照下PD的I-V曲線；(c)?不同光功率密度下458 nm LED照射PD的I_photo-t曲線；(d) I_photo和相應的計算PD在不同光強下的光響應度；(e) PD的響應時間曲線；(f) PD的水下I_photo-t循環測試；(g) Cu@GaN NWs、GP和GC的Nyquist曲線，其中所有測試都使用海水作為電解質；(h) 輻照下Cu/Cu摻雜GaN界面電子空穴分離過程的肖特基接觸、能帶結構示意圖圖；(i) 基于NWs網絡的光探測原理示意圖。

圖6.?(a)?PEC-PD模組結構示意圖；(b) 海底測試工作海域的地理位置；(c)?海域探測工作點的實拍圖(上)和PEC-PD模組實拍圖(下)；(d) 真實海洋環境下PD測試的I_photo-t曲線；(e) 海水中光的吸收系數和在海洋中的穿透深度；(f) 通過PEC-PD進行光探測的典型UOC工作原理示意圖。

成果啟示

本工作突出了納米材料界面設計在器件制造中的重要意義，不僅為UOC提供了一種新型的無防水封裝、自供電光電探測器，而且為半導體-金屬的核殼納米線功能結構材料的研究和應用開啟了新領域。

論文信息：

Han Chen, Zefeng Lin, Hongwei Qiu, Yan Tang, Shini Yang, Jingtian Zhao,Qicheng Zhou, Jun Wang, Guozhen Liu, Yang Zhao, Dongsheng Chen, Zhibin Luo, Feiya Xu, Shengli Huang,* Xiaohong Chen, Shuping Li, Duanjun Cai,* and Junyong Kang

“High-Responsivity Natural-Electrolyte Undersea Photoelectrochemical Photodetector with Self-Powered Cu@GaN Nanowires Network”

Adv. Funct. Mater. 2023, 2302872

該論文工作以廈門大學物理學院作為第一單位完成，碩士生陳瀚為第一作者（現為上海交通大學博士研究生），碩士生林澤鋒、碩士生邱鴻偉為共同第一作者，蔡端俊教授和黃勝利教授為論文通訊作者。該項目獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、福建省科技計劃等項目的資助。

Connection of the thesis:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202302872?

本文由作者供稿