蘇州納米所張其沖等在纖維狀自供能光電探測器方面取得系列進(jìn)展
可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的柔性光電探測器在仿生眼、光通信、環(huán)境監(jiān)測和智能紡織品中滿足了智能非接觸交互技術(shù)的應(yīng)用需求。一維的纖維狀光電探測器具備高柔韌性、輕量化、多方向光吸收和固有的可編織特性，在極端特殊場景如狹小空間、高曲率彎曲狀態(tài)以及智能可穿戴等場景中顯現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。但是，現(xiàn)有的纖維狀光電探測器主要使用基于金屬線的無機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)建，這些剛性半導(dǎo)體容易受到反復(fù)扭曲和彎曲的影響，導(dǎo)致光響應(yīng)度欠佳，響應(yīng)時間緩慢，在編織及彎曲過程中活性材料易脫落，甚至還會導(dǎo)致嚴(yán)重的短路。因此，必須發(fā)展新型纖維狀光電器件，在促進(jìn)電荷傳輸?shù)耐瑫r保持優(yōu)異的柔性，兼具高光響應(yīng)度和短響應(yīng)時間。
圖1. 多功能光電化學(xué)纖維狀光電探測器示意圖
圍繞設(shè)計具有高靈敏度和快速響應(yīng)速度的纖維型光電探測器，以解決目前纖維狀光電探測器半導(dǎo)體-金屬電極界面兼容性差和器件易短路的難題。首先從碳納米管復(fù)合纖維電極微納結(jié)構(gòu)設(shè)計和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化出發(fā)，以高強(qiáng)、高韌、高導(dǎo)電的碳納米管纖維（CNTF）為基體，設(shè)計制備氧化鋅（ZnO）納米陣列光敏電極、鋅普魯士藍(lán)（KZHCF）納米立方體儲能電極，并采用PVA/NaClO4作為凝膠電解質(zhì)成功制備了一種纏繞結(jié)構(gòu)的纖維狀光電化學(xué)型光電探測器。所組裝的光電化學(xué)纖維狀光電探測器以凝膠電解質(zhì)為離子傳輸層和電子絕緣層，可有效保護(hù)纖維電極并確保高效離子傳輸，同時防止大面積接觸造成電極的短路。所制備的光電化學(xué)纖維狀光電探測器具有優(yōu)異的柔性，在零偏壓條件下響應(yīng)度高達(dá)38.3 mA/W以及<30 ms的快速響應(yīng)時間。
圖2. 光電化學(xué)纖維狀光電探測器的性能測試
該成果以Integrating High-Sensitivity Photodetector and High-Energy Aqueous Battery in All-in-One Triple-Twisted Fiber為題發(fā)表在國際知名期刊 ACS Nano上。論文第一作者為內(nèi)蒙古大學(xué)和中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生盧澤成，通訊作者為南洋理工大學(xué)賀冰博士、朱成軍教授和中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張其沖項目研究員。該工作得到中國科學(xué)院“率先行動”引才計劃和江蘇省青年基金等項目的支持。
隨著淺水下健康監(jiān)測和海洋資源探索的發(fā)展，輕巧、便攜式水下通信設(shè)備對水下工作人員來說至關(guān)重要。淺水下光通信技術(shù)利用光子傳遞信息，提供卓越的傳輸速率、高能效和最小的延遲，可以有效地補(bǔ)償目前水聲通信系統(tǒng)。然而，目前的固態(tài)光電探測器依靠電子或空穴作為載體，由于它們對水的敏感性，不適合水環(huán)境下使用，會導(dǎo)致器件響應(yīng)能力不足、響應(yīng)緩慢、敏感材料失活甚至是設(shè)備故障。
圖3. 高靈敏度光電化學(xué)纖維狀光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖
為提升光電化學(xué)纖維光電探測器在自供電條件下響應(yīng)度和響應(yīng)時間，研究者通過負(fù)載2D Ni？Fe金屬-有機(jī)骨架（NiFeMOF）納米片原位修飾n型一維（1D）TiO2納米線陣列用作分級異質(zhì)結(jié)光陽極、鎳普魯士藍(lán)（KNHCF）納米立方體作為儲能電極，以CMC/Li2SO4作為凝膠電解質(zhì)，組裝了光電化學(xué)纖維狀光電探測器。與之前工作相比，該項目不同之處在于異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計使得器件具有優(yōu)異自供電特性，以避免水下應(yīng)用時額外的能源供應(yīng)問題。TiO2-NiFeMOF異質(zhì)分層結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計有助于在互連界面上實現(xiàn)高效的載流子耦合和快速的電荷轉(zhuǎn)移，從而有效地增強(qiáng)光生電子-空穴對的分離和轉(zhuǎn)移。由此產(chǎn)生的柔性自供電光電探測在零偏壓的條件下實現(xiàn)了88.6 mA/W的高響應(yīng)度和<30 ms的響應(yīng)時間，滿足了水下應(yīng)用需求。所制備的器件還可以編織商用織物中構(gòu)筑光電紡織品，在陸地和水下環(huán)境中工作，為檢測陸地上的紫外線強(qiáng)度和促進(jìn)水下光通信提供了一種多功能工具。
圖4. 高靈敏度光電化學(xué)纖維狀光電探測器的性能測試
該成果以High-Sensitivity Self-Powered Photodetector Fibers Using Hierarchical Heterojunction Photoelectrodes Enable Wearable Amphibious Optoelectronic Textiles為題發(fā)表在國際知名期刊Nano Letters上。論文第一作者中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所周健賢碩士，通訊作者為中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所李清文研究員和張其沖項目研究員。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃和中國科學(xué)院“率先行動”引才計劃等項目的支持。
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