苏州纳米所张其冲等在纤维状自供能光电探测器方面取得系列进展

可将光信号转换为电信号的柔性光电探测器在仿生眼、光通信、环境监测和智能纺织品中满足了智能非接触交互技术的应用需求。一维的纤维状光电探测器具备高柔韧性、轻量化、多方向光吸收和固有的可编织特性，在极端特殊场景如狭小空间、高曲率弯曲状态以及智能可穿戴等场景中显现出巨大优势。但是，现有的纤维状光电探测器主要使用基于金属线的无机半导体构建，这些刚性半导体容易受到反复扭曲和弯曲的影响，导致光响应度欠佳，响应时间缓慢，在编织及弯曲过程中活性材料易脱落，甚至还会导致严重的短路。因此，必须发展新型纤维状光电器件，在促进电荷传输的同时保持优异的柔性，兼具高光响应度和短响应时间。

图1. 多功能光电化学纤维状光电探测器示意图 

围绕设计具有高灵敏度和快速响应速度的纤维型光电探测器，以解决目前纤维状光电探测器半导体-金属电极界面兼容性差和器件易短路的难题。首先从碳纳米管复合纤维电极微纳结构设计和器件结构优化出发，以高强、高韧、高导电的碳纳米管纤维（CNTF）为基体，设计制备氧化锌（ZnO）纳米阵列光敏电极、锌普鲁士蓝（KZHCF）纳米立方体储能电极，并采用PVA/NaClO₄作为凝胶电解质成功制备了一种缠绕结构的纤维状光电化学型光电探测器。所组装的光电化学纤维状光电探测器以凝胶电解质为离子传输层和电子绝缘层，可有效保护纤维电极并确保高效离子传输，同时防止大面积接触造成电极的短路。所制备的光电化学纤维状光电探测器具有优异的柔性，在零偏压条件下响应度高达38.3 mA/W以及<30 ms的快速响应时间。

 图2. 光电化学纤维状光电探测器的性能测试 

该成果以Integrating High-Sensitivity Photodetector and High-Energy Aqueous Battery in All-in-One Triple-Twisted Fiber为题发表在国际知名期刊 ACS Nano上。论文第一作者为内蒙古大学和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所联合培养硕士研究生卢泽成，通讯作者为南洋理工大学贺冰博士、朱成军教授和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲项目研究员。该工作得到中国科学院“率先行动”引才计划和江苏省青年基金等项目的支持。

随着浅水下健康监测和海洋资源探索的发展，轻巧、便携式水下通信设备对水下工作人员来说至关重要。浅水下光通信技术利用光子传递信息，提供卓越的传输速率、高能效和最小的延迟，可以有效地补偿目前水声通信系统。然而，目前的固态光电探测器依靠电子或空穴作为载体，由于它们对水的敏感性，不适合水环境下使用，会导致器件响应能力不足、响应缓慢、敏感材料失活甚至是设备故障。

 图3. 高灵敏度光电化学纤维状光电探测器结构示意图

为提升光电化学纤维光电探测器在自供电条件下响应度和响应时间，研究者通过负载2D Ni-Fe金属-有机骨架（NiFeMOF）纳米片原位修饰n型一维（1D）TiO₂纳米线阵列用作分级异质结光阳极、镍普鲁士蓝（KNHCF）纳米立方体作为储能电极，以CMC/Li₂SO₄作为凝胶电解质，组装了光电化学纤维状光电探测器。与之前工作相比，该项目不同之处在于异质结构设计使得器件具有优异自供电特性，以避免水下应用时额外的能源供应问题。TiO₂-NiFeMOF异质分层结构的合理设计有助于在互连界面上实现高效的载流子耦合和快速的电荷转移，从而有效地增强光生电子-空穴对的分离和转移。由此产生的柔性自供电光电探测在零偏压的条件下实现了88.6 mA/W的高响应度和<30 ms的响应时间，满足了水下应用需求。所制备的器件还可以编织商用织物中构筑光电纺织品，在陆地和水下环境中工作，为检测陆地上的紫外线强度和促进水下光通信提供了一种多功能工具。

图4. 高灵敏度光电化学纤维状光电探测器的性能测试

该成果以High-Sensitivity Self-Powered Photodetector Fibers Using Hierarchical Heterojunction Photoelectrodes Enable Wearable Amphibious Optoelectronic Textiles为题发表在国际知名期刊Nano Letters上。论文第一作者中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所周健贤硕士，通讯作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李清文研究员和张其冲项目研究员。该工作得到了国家重点研发计划和中国科学院“率先行动”引才计划等项目的支持。