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東南大學管英士教授課題組 ACS Nano:橡膠態(tài)可拉伸垂直結構光電探測器
2025-05-11  來源:高分子科技
  隨著柔性電子技術的快速發(fā)展,可拉伸光電探測器憑借其優(yōu)異的曲面貼合能力和形變特性,在可穿戴設備、人工視覺系統(tǒng)和通信設備等領域展現出廣闊的應用前景。然而,橡膠態(tài)可拉伸光電探測器的構建仍存在重大挑戰(zhàn)。目前,基于預應變技術、折紙結構和島橋結構等工程手段的研究已取得顯著進展,但這些材料的本質仍為剛性,機械變形能力有限。此外,這類結構設計普遍存在工藝復雜、可靠性差和成本高等問題。雖然已有基于橡膠態(tài)電子材料的可拉伸光電探測器報道,但由于缺乏可拉伸透明電極材料,多數器件仍采用橫向器件結構設計,導致響應速度慢、探測靈敏度低等性能缺陷


  近日,東南大學化學化工學院管英士教授課題組取得重要突破,成功研制出一種兼具高導電性、優(yōu)異機械拉伸性和良好透明度的橡膠態(tài)可拉伸透明導體(RSTC),并基于該材料構建了可拉伸垂直結構光電探測器(RSVPD)。該器件不僅實現了紫外至近紅外光的寬帶光響應,還能在50%的應變下保持穩(wěn)定性能,為可穿戴健康監(jiān)測、柔性成像等應用提供了極具潛力的解決方案。相關研究成果以Broadband-Responsive Rubbery Stretchable Vertical-Structured Photodetectors Based on Rubbery Stretchable Transparent Conductors為題發(fā)表在ACS Nano。論文第一作者為團隊博士生狐竣梅,研究得到了國家自然科學基金、東南大學引進人才科研啟動基金等項目的資助。


  研究團隊通過創(chuàng)新設計,利用聚苯乙烯微球單層作為掩模版成功制備出一種具有獨特微孔結構的橡膠態(tài)可拉伸透明導體(RSTC)(圖1。該導體由導電聚合物PEDOT:PSS、離子液體和彈性體PDMS復合而成,微結構的引入不僅顯著提升了材料機械拉伸性和透明度,還保持了其高導電性。實驗表明,RSTC在可見光范圍內的透光率超過90%,并且具有優(yōu)異的導電性能接著,基于RSTC這一新材料,團隊開發(fā)了可拉伸垂直結構光電探測器(RSVPD(圖2。該探測器采用彈性異質結薄膜作為光活性層,不僅實現了從紫外到近紅外的寬帶光響應,還實現了1010 Jones數量級的比探測率(D*即使在50%的應變下,RSVPD仍能保持穩(wěn)定的光電性能,展現出卓越的機械適應性。 


  為充分驗證RSVPD器件的實用性能,研究團隊開展了系統(tǒng)性的應用驗證研究。首先,團隊構建了5×5可拉伸光電探測器陣列用于柔性成像,實驗結果表明該陣列在30%拉伸應變條件下仍能保持穩(wěn)定的成像性能(圖3)。進一步地,研究團隊通過將傳感器貼合于手指,開發(fā)了一種基于RSVPD的光電容積描記(PPG)傳感器,用于實時監(jiān)測人體心率。該傳感器成功實現了靜息狀態(tài)和運動狀態(tài)下的心率監(jiān)測(圖4)。這項研究首次將高拉伸性、高透明度的橡膠導體與垂直結構光電探測器相結合,突破了傳統(tǒng)柔性光電探測器的性能限制。通過微結構設計和材料優(yōu)化,團隊不僅解決了可拉伸透明電極的難題,還為全橡膠電子器件的發(fā)展提供了新思路。未來,這一技術有望在柔性光學傳感、成像系統(tǒng)和醫(yī)療監(jiān)護設備中實現更廣泛的應用。



橡膠態(tài)可拉伸透明導體制備



橡膠態(tài)可拉伸垂直結構光電探測器制備與光電性能表征



橡膠態(tài)可拉伸光電探測器陣列



基于RSVPD的光電容積描記(PPG)傳感器


  原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01015

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(責任編輯:xu)
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