近日，团队在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Self-Powered High-Responsivity Self-Supporting SiC/SnO₂ Nanoarray Photoelectrochemical Ultraviolet Photodetector: Toward All-Scenario Harsh Underwater Applications”的研究论文，报道了一种面向全场景水域稳定服役的自供电、高灵敏光电化学型紫外光电探测器。论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202421819。

研究背景：海洋覆盖了地球表面的三分之二，水下无线通信在水下探测和海上军事领域有着重要的应用价值，然而相关探索尚处起步阶段。为构建高性能水下光通信系统，亟需开发面向恶劣水下环境远程运行的自供电高灵敏光电探测器。作为光电子领域的关键半导体材料，第三代半导体SiC拥有优异的光电特性、良好的化学稳定性以及宽带隙优势，是紫外光电探测器研发的重要候选材料之一。

成果简介：这项工作旨在研发面向各种恶劣水域长效稳定运行的自供电光电化学型（PEC）紫外光电探测器（PD）。基于自支撑SiC/SnO₂异质结纳米阵列光电极，构建了自供电的PEC紫外光电探测器。研究工作以SiC晶片为原材料，采用两步阳极氧化，制备了SiC纳米壁阵列，使得阳极氧化后的纳米阵列材料与未阳极氧化的基片分别用作活性物质与集流体，进而实现了电极结构的单晶一体化构筑，有效规避了传统PEC光电探测器中光活性层与集流体之间的界面接触问题。以此为基础，通过化学浴沉积工艺，在SiC纳米阵列表面构筑具有优异耐腐蚀性的SnO₂薄膜，从而实现了一体化自支撑SiC/SnO₂异质结电极制备。研究表明，所构建的PEC紫外光电探测器在海水以及自供电条件下表现出了1.97 A/W的高响应度以及1.98 × 10¹¹ Jones的高探测率，并且在不同纬度海水、不同温度的强酸性和强碱性液体等苛刻水域环境中，均展现出优异的水下紫外光探测特性。

图文解析：

图1. 4H-SiC单晶片光学图像(a1)阳极氧化前和(a2)阳极氧化后。所获得的SiC纳米阵列在不同放大倍数下的典型(b1-b2)俯视图和(b3-b4)对应截面扫描电子显微镜图像。(c1-g3)不同放大倍数下SiC/SnO₂−18、SiC/SnO₂−19.5、SiC/SnO₂−21、SiC/SnO₂−22.5、SiC/SnO₂−24样品俯视图和横切面SEM。

图2. 在无偏置电压的375 nm紫外光照射下，SiC纳米阵列和SiC/SnO₂异质结纳米阵列在盐度为35的海水中的自供电光电探测行为: (a)不同反应时间下的瞬态光电流密度曲线，(b)瞬态光电流密度曲线，(c)不同光功率密度下对应的光电流密度值，(d)响应度(R_λ)，(e)探测度(D^*)，(f)外量子效率(EQE)。

图3. SiC纳米阵列一个周期内电流响应的(a)上升时间和(b)衰减时间。(c) SiC /SnO₂−21异质结纳米阵列一个周期内电流响应的(c)上升时间和(d)衰减时间。(e) SiC/SnO₂异质结纳米阵列PEC UV PD自供电特性示意图。

图4. 所构建的 SiC/SnO₂-21 异质结 PEC UV PD 的输出数据波形，分别对应四个字母 (a) N、(b) E、(c) F、(d) U 的 ASCII 码

图5. 在(a)低纬度、(b)中纬度和(c)高纬度海水中，在375 nm不同功率密度、0 V偏置电压下，SiC/SnO₂−21异质结纳米阵列PEC UV PD的瞬态电流曲线检测。对应的SiC/SnO₂−21 PEC PD的(d) R_λ、(e) D^*和(f) EQE。在不同纬度的海水中，经过3000 s的测量，对新鲜的SiC/SnO₂−21样品和储存一个月的SiC/SnO₂−21样品进行了长期稳定性试验:(g)低纬度，(h)中纬度，(i)高纬度。

图6. 在(a) 0.5 mol L⁻¹ H₂SO₄、(b) 0.5 mol L⁻¹ Na₂SO₄和(c) 0.5 mol L⁻¹ KOH溶液中，在375 nm光照、不同温度、0 V偏置电压下，SiC/SnO₂−21 PEC PD的光电流密度曲线。相应的SiC/SnO₂−21 PEC PD的(d) R_λ、(d) D^*和(f) EQE。