AFM：自供电柔性TiO2纤维光电探测器：P3HT异质结及通过Au纳米粒子提高响应度和选择性- 大数跨境

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AFM：自供电柔性TiO2纤维光电探测器：P3HT异质结及通过Au纳米粒子提高响应度和选择性

科学材料站

2020-05-05

导读：本文作者采用阳极氧化法和真空浸渍法相结合的方法制备出一种新型的无机-有机异质结（TiO2/P3HT（聚3-己噻吩））。所构建的柔性纤维光电探测器（FPD）具有高性能的自供电紫外-可见光宽带光响应，速度

Version of record online: 27 April 2020

浙江工业大学复旦大学

导读

作者采用阳极氧化法和真空浸渍法相结合的方法制备出一种新型的无机-有机异质结（TiO2/P3HT（聚3-己噻吩））。所构建的柔性纤维光电探测器（FPD）具有高性能的自供电紫外-可见光宽带光响应，速度快，响应度高，良好的稳定性，以及在弯曲状态下的高稳定性，显示出可穿戴电子设备的巨大潜力。此外，通过调整溅射间隔，制备了金纳米粒子以进一步提高响应度和选择性。该工作为柔性电子器件的光电性能调制提供了一条有效的、通用的途径。

背景简介

1. 什么是灵活性可穿戴电子设备

灵活/可穿戴的电子设备，能够完美的与人体相连，已经引起了全世界研究者的兴趣。这些设备可以通过无线通信实时监测个人健康状况和环境变化，包括智能皮肤，腕带，镜片，头盔，纺织品，纤维电子器件已经成为一个重要的组成部分，借助传统的织造技术可以很容易地织成布。

最近，柔性纤维光电探测器（FPD）因其在便携式设备、航空航天科学和土木工程等领域的应用前景而备受关注，这些领域要求具有灵活性、重量轻、抗冲击性和柔软性。通常，“5S”关键参数：灵敏度、选择性、速度、稳定性和信噪比，用于评价传统光电探测器（PDs）的光电性能。当谈到灵活的fpd时，需要考虑更多的特性，比如可移植性、灵活性，以及强度，因为它们将在机械应力下对光探测性能产生重大影响。

关键问题之一是在纤维衬底和光活性材料之间建立紧密而坚固的界面，以确保器件变形期间的稳定性能，以及增强的性能与它们的平面竞争对应物。特别是，金属纤维基底被报道为最广泛使用的类型，它不仅用作电极，而且还是原位生长光活性纳米结构的前体材料，具有良好的柔韧性和机械性能

2.自供电平板显示器目前的研究进展

为了适应现代电子技术向微型化、节能、便携化和零维护方向发展的趋势，无需外部电源（如电池）的自供电平板显示器的研究变得非常热门。简而言之，从能量转换的角度来看，实现自供电平板显示器有两条通用的途径。其途径是将平板显示器与微型能量收集/存储组件（如纳米发电机、太阳能电池和超级电容器）集成，将光信号与机械能或化学能一起转换为电能，但代价是复杂性和成本增加。另一种方法是通过肖特基结、p-n结和异质结的结构来利用光电二极管，因为光电效应可以有效地分离光生电子-空穴对，直接将光信号转换为电子信号。

目前只有几次尝试制作具有自供电模式的柔性光纤型光电探测器。例如，Zeng等人报道了一种自供电的ZnO基纤维形状的全向紫外PD，其开关比≈2，在350 nm处的响应度为9.96 mA W−1。Xu等人报道了一种具有高光谱选择性和高响应性的新型自功率TiO2/CuZnS可穿戴FPD。Li等人提出了一种基于两种光纤基底的柔性双扭曲宽带钙钛矿钯，在零偏压下具有超高的检测率。考虑到光活性材料在纤维基片上的弯曲和有限的光照面积，在没有外部电源的情况下，如何产生合适的光电流/响应率和理想的灵敏度是一个挑战。

此外，制作高质量的结仍然是昂贵而复杂的，从而阻碍了实际应用。因此，采用低成本、易操作的策略，开发具有自供电特性的新型结柔性纤维PDs具有很大的优势。

图1. TiO2/P3HT平板显示器的制备工艺说明。

文章介绍

近日，浙江工业大学郑华均、Lingxia Zheng和复旦大学方晓生等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials (2018 影响因子：15.62)上发表题为“Self-Powered Flexible TiO2 Fibrous Photodetectors: Heterojunction with P3HT and Boosted Responsivity and Selectivity by Au Nanoparticles”的研究性论文。本文第一作者是Lingxia Zheng。

在本研究中，证实了无机-有机杂化异质结因结合了无机材料优良的本征载流子迁移率和有机组分具有功能可调、易于制备、成本低、柔韧性高等优点，是一种很有前途的杂化方法，P3HT是一种典型的π-电子共轭聚合物，具有高的空穴传输率和强的可见光吸收，由于其半导体性和高稳定性，在光伏器件中得到了广泛的应用。

在无机半导体中，阳极TiO2纳米管（TiO2NTs）阵列是垂直于表面的从高表面体积比、明确的电荷转移路径和与钛金属基底的良好粘附性来看，钛金属是一种很有前途的制备高性能自功率PDs的候选材料，具有良好的光敏性、高响应性和良好的稳定性在钛微丝表面原位生长，保证氧化物与钛电极的紧密接触。

P3HT的均匀加载是通过真空浸涂的方法，以更好地设计p-n界面，使其位于管口和管间间隙而不是管内。所构建的TiO2/P3HT FPD采用碳纳米管（CNT）纱缠绕在光活性材料周围作为另一个电极展示了高性能的自增强柔性紫外可见光宽带光电检测。有趣的是，利用离子溅射的方法，金纳米粒子（AuNPs）修饰可以很容易地调节响应度和选择性，从而实现高性能的自供电柔性紫外光电探测器。

图2.微观形貌图

a) Top-surface and

b,c) lateral scanning electron microscopy (SEM) images of TiO2/P3HT hybrid.

d) SEM image of TiO2/P3HT fibrous device. Inset shows the magnification..

图3. 结构示意图

a) XRD patterns and

b) Raman spectra of pure TiO2NTs and TiO2/P3HT hybrid.

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202001604

导师简介:

郑华均，工学博士，教授，博士生导师。国际电化学学会会员。现任浙江工业大学副校长，参加了国家“九五”科技攻关计划专题《在役重要压力容器寿命预测技术研究》的研究工作。主持完成省教委《化学镀镍磷合金镀层工艺研究及应用》。先后主持或参加完成浙江省科技攻关项目、浙江省重大科技专项、浙江省自然科学基金项目、国家自然科学基金项目等20余项；在《The Journal of Physical Chemistry》、《ACS Applied materials & interfaces》《Carbon》、《Journal of Power Sources》、《Electrochemistry Communications》、《Hydrometallurgy》、《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》、《Thin Solid Film》、《Journal of Materials Science & Technology》等国内外学术期刊上发表论文68篇，被SCI、EI、ISTP摘录54篇次。申请或授权发明专利8项。

方晓生，复旦大学材料科学系教授，博导已经发表学术论文78篇，封面特征论文10篇，第一作者和(共同)通讯作者论文包括11篇Adv. Mater., 1篇Nano Lett., 1篇PNAS, 7篇Adv. Funct. Mater., 等。受邀在Prog. Mater. Sci., 和Adv. Mater.,等杂志上撰写相关领域的综述论文8篇。10次应邀在国际学术会议（包括MRS年会）上作邀请报告或者主持分会报告。发表的论文共被SCI刊物他引2600多次，第一作者论文的引用超过200次1篇，100次的6篇。申请日本专利4项，中国专利1项。应邀作为SCI刊物Curr. Nanosci., 和J. Mater. Sci. Technol.,等六个杂志的编委和客座编辑，受邀作为60多个国际刊物的审稿人或者仲裁评审人。获得的奖励包括中国科学院院长奖特别奖(2006年度)，汤姆森路透(SCI索引出版公司)卓越研究奖(2008年度)和安徽省自然科学一等奖(2011年度，排名第二)等。

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