中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
在柔性電子與通信技術(shù)迅猛發(fā)展的當下，小型輕量化光電探測器成為6G通信和集成芯片技術(shù)的核心需求，柔性光電探測器展現強大的應用潛力。但傳統柔性光電探測器面臨界面結合弱、功耗高等瓶頸，實(shí)現柔性襯底和光敏材料的有效整合，兼得高靈敏度與低功耗，是當下全球攻關(guān)焦點(diǎn)。
近期，廈門(mén)大學(xué)鄭高峰教授團隊在Advanced Fiber Materials上發(fā)表了題為“Piezophototronic Effect-Enhanced Highly Sensitive Flexible Photodetectors Based on Electrohydrodynamic Direct-writing Nanofiber Self-stacking”的研究成果。該工作提出微納壓電-光電耦合增強機制，電紡直寫(xiě)自堆疊制備ZnO@(Cu(NH3))(CN)柔性探測器；協(xié)同調控納米電荷傳輸，多層堆疊強化界面，實(shí)現高靈敏、低功耗，為近距通信、加密與顯示等領(lǐng)域開(kāi)辟全新技術(shù)路徑。
該工作揭示微納尺度壓電-光電耦合增強機制，開(kāi)發(fā)了基于電紡直寫(xiě)自堆疊微納噴印技術(shù)，成功實(shí)現銅氨絡(luò )合物(Cu(NH3))(CN)納米纖維與氧化鋅(ZnO)納米纖維的堆疊，研制出高性能ZnO@(Cu(NH3))(CN)柔性光電探測器，并成功用于紫外加密通信與顯示系統（圖1）。
圖1 自堆疊光電探測器結構原理及應用研究
電紡直寫(xiě)實(shí)現壓電-光電材料自堆疊，并結合熱固化工藝構建致密界面，完成器件集成，如圖2(a)所示。ZnO@(Cu(NH3))(CN)柔性壓電增強光電傳感結構的表征見(jiàn)圖2(b)~(e)，其吸收峰位于230 nm，對紫外波段靈敏。
圖2 光電探測器制備工藝及光電結構表征
ZnO@(Cu(NH3))(CN)光電探測器兼具超低功耗與極速響應：自堆疊納米纖維構筑間斷能帶壁壘，抑制熱電子發(fā)射，暗電流低至1.12×10-7A，較純ZnO納米纖維降低近3個(gè)數量級，靜態(tài)功耗銳減；在紫外線(xiàn)照射下，響應度達13.3 A/W，上升/恢復時(shí)間僅11 ms/9 ms，遠超傳統柔性探測器（圖3）。其調控電壓寬達6~20 V，適配多元應用場(chǎng)景。
圖3 柔性光電探測器性能和壓電效應
基于ZnO@(Cu(NH3))(CN)探測器，團隊構建了低功耗、閾值可調、抗電磁屏蔽的紫外通信-顯示一體化系統（圖4）。系統利用紫外光低噪聲、穿透性弱的特點(diǎn)，結合物理層掩模加密（收發(fā)共享密鑰模板），首次實(shí)現“XMU”字符短距離安全傳輸，響應迅捷且抗干擾能力強，為近場(chǎng)保密通信提供新范式。
圖4 光電探測器在通信中的應用
圖5展示了ZnO@(Cu(NH3))(CN)光電探測器在紫外顯示領(lǐng)域的應用。該系統依托掩模板協(xié)議，通過(guò)移動(dòng)掩模調控光信號，探測器接收電流數據后，經(jīng)計算機處理分析并依據靈敏度上色，最終生成清晰圖像。實(shí)驗展示了不同堆疊層數的探測器在顯示字母“X”“M”“U” 時(shí)的效果，這一應用表明該探測器在信息可視化領(lǐng)域具有潛在價(jià)值，為顯示技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。
圖5 光電探測器在紫外顯示器中的應用
綜上所述，該研究通過(guò)電紡直寫(xiě)自堆疊技術(shù)成功制備了ZnO@(Cu(NH3))(CN)柔性壓電增強型光電探測器，引入壓電-光電協(xié)同耦合機制，攻克了柔性光電探測器界面調控與功耗降低的難題，為6G通信、戰場(chǎng)加密、智能可穿戴設備等領(lǐng)域提供了有力的技術(shù)支撐。未來(lái)研究將聚焦于探測器的無(wú)縫集成，以及光電性能與機械穩健性的優(yōu)化平衡，這將對推進(jìn)下一代柔性光電檢測技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
廈門(mén)大學(xué)博士研究生杜賢若、中國海洋大學(xué)本科生彭正輝、廈門(mén)大學(xué)本科生梁彥陽(yáng)為本文的共同第一作者。廈門(mén)大學(xué)鄭高峰教授與廈門(mén)理工學(xué)院陳華壇助理教授為共同通訊作者。
通訊作者簡(jiǎn)介
鄭高峰：教授，博導，廈門(mén)大學(xué)薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院科學(xué)儀器所所長(cháng)。從事靜電紡絲、智能纖維制造、柔性電子集成等領(lǐng)域的研究工作。福建省杰出青年基金獲得者，福建省高層次人才，福建省“雛鷹計劃”青年拔尖人才，廈門(mén)市“雙百計劃”領(lǐng)軍型創(chuàng )業(yè)人才。獲福建省科技進(jìn)步獎二等獎、廈門(mén)市科技進(jìn)步獎二等獎、中國發(fā)明協(xié)會(huì )發(fā)明創(chuàng )業(yè)獎創(chuàng )新獎一等獎各1項。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計劃子課題、國家自然科學(xué)基金、福建省產(chǎn)學(xué)研究重點(diǎn)項目、福建省自然科學(xué)基金等課題。發(fā)表論文160余篇，獲授權發(fā)明專(zhuān)利50余項，出版專(zhuān)著(zhù)1本，參與撰寫(xiě)著(zhù)作專(zhuān)章3篇。
