皮膚健康的“隱形殺手”——紫外線，尤其在水陸交錯(cuò)的濱水區(qū)域威脅更大。傳統(tǒng)紫外線傳感器難以兼顧水陸環(huán)境監(jiān)測。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫海定教授團(tuán)隊(duì)受招潮蟹生物視覺啟發(fā)，成功研發(fā)出全球首款基于水凝膠/氮化銦鎵納米線異質(zhì)結(jié)的自供電水陸兩棲紫外線視覺傳感器。該器件突破環(huán)境限制，在空氣和水下均實(shí)現(xiàn)130.7 mA/W超高響應(yīng)度與7.7毫秒級快速響應(yīng)。紫外線是皮膚健康的“隱形殺手”，而濱水區(qū)域的紫外線威脅尤為嚴(yán)峻。由于水面產(chǎn)生的菲涅耳反射效應(yīng)，濱水區(qū)域的紫外線強(qiáng)度往往比內(nèi)陸高出20-30%。更令人擔(dān)憂的是，國際輻射防護(hù)協(xié)會(huì)（IRPA）的研究指出：水下活動(dòng)時(shí)的紫外線暴露時(shí)常超出安全閾值，這一點(diǎn)卻最容易被人們忽視。傳統(tǒng)的紫外線傳感器雖能在陸地或水下單一環(huán)境中工作，卻無法實(shí)現(xiàn)“水陸無縫切換”，導(dǎo)致在游泳、沖浪、垂釣、灘涂作業(yè)等濱水活動(dòng)場景中存在監(jiān)測盲區(qū)，使人們暴露在更高的健康風(fēng)險(xiǎn)中。

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖及SEM照片

面對這一挑戰(zhàn)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫海定教授團(tuán)隊(duì)將目光投向了自然界——生活在海岸潮間帶的招潮蟹。這種神奇的生物進(jìn)化出了非凡的“兩棲紫外線哨兵”機(jī)制。它們擁有特殊的復(fù)眼結(jié)構(gòu)，內(nèi)含對紫外線敏感的視錐細(xì)胞，能夠?qū)崟r(shí)感知空氣和水環(huán)境中的紫外線強(qiáng)度梯度。一旦監(jiān)測到輻射超標(biāo)，它們便能迅速鉆入泥洞或潛入深水躲避傷害。這種高效的跨介質(zhì)生物紫外感知能力，為研究人員突破技術(shù)瓶頸提供了關(guān)鍵靈感。孫海定教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性的使用水凝膠/銦鎵氮納米線結(jié)構(gòu)器件，成功研發(fā)出全球首款水陸兩棲自供電紫外線視覺傳感器。突破傳統(tǒng)設(shè)備單介質(zhì)工作限制，在空氣和水下環(huán)境均實(shí)現(xiàn)130.7 mA/W高響應(yīng)度與7.7ms快速響應(yīng)，精準(zhǔn)監(jiān)測復(fù)雜濱水環(huán)境的紫外線強(qiáng)度，該工作以“A Quasi Solid-State Hydrogel/InGaN Nanorod Heterostructure-Enabled Amphibious Sensor for Stable and Cross-Medium Optical Sensing and Monitoring”為題發(fā)表在《ACS Nano》上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院的博士研究生陳煒和碩士研究生李陽為文章的共同一作。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。

圖2 器件的光電探測性能數(shù)據(jù)

圖3 器件的實(shí)際工況下的測試數(shù)據(jù)

該工作是孫海定教授團(tuán)隊(duì)在光電化學(xué)光探測器方向最新的成果，該團(tuán)隊(duì)通過分子束外延，精準(zhǔn)調(diào)控In的含量，將InGaN納米線帶隙調(diào)至2.75eV，使其能夠?qū)?80-420nm的產(chǎn)生較高的光響應(yīng)，并且使用過超薄非晶碳層鈍化技術(shù)，通過C-N/O鍵與納米線表面強(qiáng)耦合，鈍化前后器件的響應(yīng)度從3.3 mA/W升至130.7 mA/W（提升39.6倍）（圖2a），響應(yīng)速度達(dá)7.7/7.2 ms（升/降），媲美人眼反應(yīng)速度（圖2b），在385nm光照下，通過調(diào)整光強(qiáng)進(jìn)行器件光電性能測試，發(fā)現(xiàn)器件具有很好的光強(qiáng)線性度（圖2e和圖2f）。在使用水凝膠封裝器件之后，使其具有跨介質(zhì)探測紫外光的功能，并且在空氣中和在水下，器件均有良好的探測效率和穩(wěn)定性，在連續(xù)工作1000s的開關(guān)光測試下，性能無衰減（圖2h和i）。 

在實(shí)際的應(yīng)用場景當(dāng)中，器件對不同的天氣下，以及同一天的不同時(shí)間下，均有準(zhǔn)確的紫外光探測能力，而且不需要添加額外的濾光片，器件本身就可以對420nm以下的光有很好的探測選擇性，結(jié)合器件本身自供電的特性，可以為長時(shí)間戶外工作的人，或者濱海地區(qū)戶外作業(yè)的人，提供長期可靠的紫外健康檢測。原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c07003

 （來源：光電仿生感知日記）