半导体所王丽丽吉大韩炜北理沈国震Matter：MXene量子点钙钛矿异质结构实现高特异性紫BBIN BBIN宝盈集团外线监测

　　利用Ti3C2Tx量子点(TQD)增强2D钙钛矿Ca2Nb3O10 (CNO) NSs的电荷载流子，改善了TQD修饰的2D钙钛矿CNO NS光电探测器的性能。与没有TQD的参考光电探测器相比，光谱响应度增加了1100%。TQD/CNO光电探测器与数据收集器集成可以模拟用于皮肤和植物保护的可穿戴式可见盲紫外线监测系统；此外，可以通过人工神经网络训练和识别各种天气下的环境紫外辐射信息来提醒用户。这项工作展示了TQD/CNO在紫外线相关的可穿戴医疗保健和控制系统中的潜在应用。该工作以题为“MXene quantum dots/perovskite heterostructure enabling highly specific ultraviolet detection for skin prevention”发表在《Matter》上。

　　图1A显示了用TQD/CNO异质结构设计的光电探测器的原子结构图。沉积在Si/SiO2衬底上的TQD/CNO膜由于其高光学质量和良好的异质结构而被用作沟道半导体(图1A的插图)。作者使用密度泛函理论(DFT)计算研究了TQD/CNO异质结构界面系统。如图1B所示，费米能级的电子占据态增强了TQD/CNO材料的本征电导率，改善了电荷转移。作者使用3D时域有限差分模拟来计算在310 nm入射光下量子点附近的电磁场的强度和分布。如图1C所示，光在量子点附近被捕获。TQD吸收光，产生的光生电荷转移到CNO NSs。基于图1D中所示的紫外-可见吸收光谱，TQD/CNO异质结构在310 nm附近表现出强吸收，这表明TQD/CNO的混合纳米结构提高了光电探测器的总光吸收。

　　图2A显示了带有TQD的2D CNO NSs的典型TEM图像，其中平均直径约为1.44 nm的TQD均匀分布在2D CNO NSs上。剥离的2D CNO纳米晶和量子点的相结构用高分辨透射电镜表征。如图2B所示，观察到0.38和0.23 nm的晶面间距，分别对应于2D CNO NSs的(100)面和Ti3C2Tx的(008)面。此外，图2C中的选区电子衍射(SAED)图显示了清晰的衍射斑点，其可以与(100)和(010)平面匹配，表明2D CNO NSs的高结晶质量。

　　为了研究TQD/CNO异质结构的光响应特性，作者使用常规光刻工艺制造了结合了2D CNO NSs和TQD/CNO异质结构的光电探测器，并对其进行了表征。图3A是基于TQD/CNO异质结构的器件的光学图像。研究最多的基于2D的光电探测器的响应率被总结在图3E中以比较它们在各种波长下的特性。虽然这些材料被广泛研究，并具有优异的光电性能，但在监测紫外辐射时，它们会受到可见光的干扰。本研究中研究的TQD/CNO光电探测器在保持高响应度的同时表现出良好的可见盲特性。高可见盲特性确保了有效、稳定和超灵敏的光检测。

　　沉积在聚对苯二甲酸乙二醇酯基质上的2D CNO NSs和TQD证明了TQD/CNO光电检测器的可见盲紫外检测的高选择性、稳定性和灵敏度(图4A)。为了用于可穿戴的可见盲紫外监测，TQD/CNO光电探测器在不同的弯曲条件下必须是电稳定的。因此，作者在1 V的弯曲条件下进一步测试该器件，如图4B所示。如图4B的插图所示，弯曲角定义为柔性TQD/CNO光电探测器一端的水平线和切线之间的侧角，通过控制两个夹具之间的距离来实现。在弯曲测试期间，TQD/CNO光电探测器的暗电流和光电流在各种弯曲角度下几乎保持不变，并且该器件显示出能够承受高达75°的弯曲角度。

　　尽管阳光中的紫外线辐射会使皮肤衰老，并直接损害皮肤细胞的DNA，但适度剂量的紫外线辐射对植物生长和增强人类免疫系统是必不可少的。因此，为医疗保健和农业应用开发高效的可穿戴式太阳紫外线监测设备非常重要。在这项研究中，作者将柔性的TQD/CNO光电探测器与商业数据收集器集成在一起，以模拟一个可穿戴式可见-可见紫外监测系统(图5A)。柔性TQD/CNO光电探测器被放置在人的手腕上(图5B)和植物上(图5C),以检测日光中存在的紫外线辐射。商业数据收集器随后实时记录了与紫外线强度相关的电阻，并通过蓝牙将数据发送到智能手机进行进一步分析(图5D)。这使得传感平台能够在紫外线暴露阈值处提供预警信号，提醒佩戴者采取措施避免过度暴露。

　　为了进一步探索TQD/CNO光电探测器在各种天气下监测环境紫外辐射的能力，作者构建了一个人工神经网络来识别天气(图6A)。在每个训练时期，作者输入90个随机选择的紫外线个训练时期内绘制的。为了进一步证明利用TQD/CNO光电探测器监测环境紫外辐射可以有效地识别天气，作者输入了由TQD/CNO光电探测器处理的紫外数据，然后显示了在整个训练期内的输出变化(图6E和6F)。300个训练迭代后，目标天气从输入的紫外线数据中分离出来。温度和相对湿度对日常生活、工业和农业都很重要。识别的天气信息可用于粗略估计温度和相对湿度，并提醒用户采取行动。

　　作者提出了一种基于混合量子点/CNO纳米结构的柔性可见盲紫外光探测器，结果表明TQD/CNO光电探测器系统阵列在与紫外线相关的可穿戴日常保健和控制系统中具有应用潜力。来源：高分子科学前沿

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