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。

核心突破

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。

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

该论文工作以厦门大学物理学院作为第一单位完成，2022届硕士毕业生陈瀚为第一作者（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。厦大海洋与地球学院的陈东升助理教授和骆智斌助理教授为主要合作者。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。

论文链接：

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