厦大物理蔡端俊课题组在海底光通信新型探测器研究方面取得重要进展

 研究背景：

海洋覆盖了地球表面的三分之二，但对海底空间的探索仍处于早期阶段。海底无线通信作为海洋研究的重要手段，不仅在海洋勘探领域，而且在军事领域都发挥着重要的作用。在众多技术中， 海底光通信（UOC）被认为是非常具有潜力的下一代海洋探测水下无线通信技术，但海水环境复杂而严苛，对光电探测器件密封性、稳定性有较高的要求，同时，海水对于光的吸收也会严重地限制信息的传递。人们发现海水中存在一条蓝光信道，因此，研制一种海水友好、发射波段匹配、高性能、自供电的UOC光电探测器具有十分重要的意义。

成果掠影：

近日，Advanced Functional Materials期刊（IF=19.9）发表了厦大物理学院蔡端俊教授课题组、黄胜利教授课题组、康俊勇教授团队的题为“High-Responsivity Natural-Electrolyte Undersea Photoelectrochemical Photodetector with Self-Powered Cu@GaN Nanowires Network”的最新研究成果论文。该论文开发了一种新型半导体核壳结构Cu@GaN纳米线（NWs）网络，利用海水本身就是导电性电解质的有趣特点，创新性提出直接利用海水作为天然电解质，研发了一种新型免密封的自供电光电化学（PEC）蓝光通信探测器。提出在Cu NWs表面包裹Ga金属，并经过高温氮化工艺而形成高质量的GaN壳层的纳米材料技术，同时利用Cu原子向GaN层径向扩散机制，构造了Cu/GaN界面径向肖特基结结构。该特殊结构得以同时实现蓝光的窄带检测和光生载流子的快速分离，形成灵敏光电信号。基于该新型纳米功能结构材料，成功设计并制造了一种高响应度、自供电的海底PEC光电探测器，该探测器通过微管道直接引入海水作为电解质，实现对蓝光信号（458 nm）的灵敏稳定通信探测，获得5.04 mA/W的高响应度和0.68 ms的快速响应时间。并在厦门周边近太平洋海域的浅海和深海环境下，成功完成有效的现场稳定通信应用。

核心创新点：

蔡端俊教授、黄胜利教授课题组，通过液相包裹和高温渗氮工艺在Cu NWs表面合成了高质量的GaN壳层。并基于此结构设计了一种水下光电化学探测器，应用于UOC。具体突破性技术包括：

（1）核壳结构构建了带有内置电场（从Cu到GaN）的径向肖特基结，实现了电子的快速转移和电荷的高效分离。

（2）Cu NWs核心互连网络为电子提供了一维的快速通道，降低了表面复合的概率。

（3）设计流体微管，直接引入天然海水作为探测器件的电解液，从而使海底通信器件具有免密封和极佳的海水亲和性，改善了器件在水下工作的可靠性和稳定性。

成果启示

图1. Cu@GaN纳米线和光电极的制作工艺示意图：(a) Cu@Ga纳米线的合成过程；(b) 光电极的制作过程；(c) 纳米线网络的氮化工艺。

图2. (a) 沉积Au电极之后纳米线网络的OM图像；(b) 铜箔包裹法原理示意图；(c) 氮化工艺示意图；分别在不同反应条件下NWs的SEM图像：(d) 550°C、50 sccm NH₃、无铜箔胶囊；(e) 820°C、50 sccm、NH₃、铜箔胶囊包裹；(f) 900°C、50 sccm NH3、带铜箔胶囊；(g) 氮化后沉积Au的NWs网络的SEM图像；(h) 单个Cu@GaN NW的TEM图像和Cu(红色)、Ga(绿色)、N(蓝色)的EDS元素映射图像；(i) Cu@GaN NW的TEM图像；(j) Cu@GaN NW的HRTEM图像；

图3. (a) Cu@GaN NWs的EDS图谱；(b) Cu@GaN NWs的UPS频谱；分别为Cu@GaN NWs的 (c) N 1s、(d) Cu 2p、(e) Ga 3d XPS图谱； (f) Cu@GaN NWs的Raman图谱；(g) Cu@GaN NWs、Cu NWs和GaN粉末的XRD图谱；(h) 随波长变化下Cu NWs和Cu@GaN NWs的吸收光谱；(i) Cu@GaN NWs、Cu NWs和GaN粉末的PL图谱。

图4. (a) Cu原子从核扩散到GaN壳层的示意图；(b) 铜掺杂前后的原子模型图；(c) 不同Cu掺杂量的模型下的电子跃迁能；(d) 纯GaN和Cu掺杂GaN (Cu=8.3%)的能带结构图；(e) Cu掺杂GaN结构的总态密度和投影态密度(Cu=8.3%)；(f) 对应掺杂模型的杂质级部分电荷密度，电荷密度等值面为1.7×10-5 e Å^-3；(g) 计算得到的Cu/Cu掺杂GaN界面原子模型；(h) 界面模型的电荷密度，电荷密度等值面为0.06 e Å^-3；(i) 构建DOS下CB和VB的能带结构。

图5. (a) 基于自供电Cu@GaN NWs的PEC PD原理示意图；(b) 458 nm光照下PD的I-V曲线；(c) 不同光功率密度下458 nm LED照射PD的I_photo-t曲线；(d) I_photo和相应的计算PD在不同光强下的光响应度；(e) PD的响应时间曲线；(f) PD的水下I_photo-t循环测试；(g) Cu@GaN NWs、GP和GC的Nyquist曲线，其中所有测试都使用海水作为电解质；(h) 辐照下Cu/Cu掺杂GaN界面电子空穴分离过程的肖特基接触、能带结构示意图图；(i) 基于NWs网络的光探测原理示意图。

图6. (a) PEC-PD模组结构示意图；(b) 海底测试工作海域的地理位置；(c) 海域探测工作点的实拍图(上)和PEC-PD模组实拍图(下)；(d) 真实海洋环境下PD测试的I_photo-t曲线；(e) 海水中光的吸收系数和在海洋中的穿透深度；(f) 通过PEC-PD进行光探测的典型UOC工作原理示意图。

成果启示

本工作突出了纳米材料界面设计在器件制造中的重要意义，不仅为UOC提供了一种新型的无防水封装、自供电光电探测器，而且为半导体-金属的核壳纳米线功能结构材料的研究和应用开启了新领域。

论文信息：

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

该论文工作以厦门大学物理学院作为第一单位完成，硕士生陈瀚为第一作者（现为上海交通大学博士研究生），硕士生林泽锋、硕士生邱鸿伟为共同第一作者，蔡端俊教授和黄胜利教授为论文通讯作者。该项目获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省科技计划等项目的资助。

Connection of the thesis:

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

本文由作者供稿