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  近日，東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)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(dǎo)電性、優(yōu)異機(jī)械拉伸性和良好透明度的橡膠態(tài)可拉伸透明導(dǎo)體（RSTC），并基于該材料構(gòu)建了可拉伸垂直結(jié)構(gòu)光電探測器（RSVPD）。該器件不僅實(shí)現(xiàn)了紫外至近紅外光的寬帶光響應(yīng)，還能在50%的應(yīng)變下保持穩(wěn)定性能，為可穿戴健康監(jiān)測、柔性成像等應(yīng)用提供了極具潛力的解決方案。相關(guān)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(tuán)隊(duì)博士生狐竣梅，研究得到了國家自然科學(xué)基金、東南大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金等項(xiàng)目的資助。

  研究團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，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(dú)特微孔結(jié)構(gòu)的橡膠態(tài)可拉伸透明導(dǎo)體（RSTC）（圖1）。該導(dǎo)體由導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS、離子液體和彈性體PDMS復(fù)合而成，微孔結(jié)構(gòu)的引入不僅顯著提升了材料的機(jī)械拉伸性和透明度，還保持了其高導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)表明，RSTC在可見光范圍內(nèi)的透光率超過90%，并且具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。接著，基于RSTC這一新材料，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了可拉伸垂直結(jié)構(gòu)的光電探測器（RSVPD）（圖2）。該探測器采用彈性異質(zhì)結(jié)薄膜作為光活性層，不僅實(shí)現(xiàn)了從紫外到近紅外的寬帶光響應(yīng)，還實(shí)現(xiàn)了10¹⁰ Jones數(shù)量級的比探測率（D*）。即使在50%的應(yīng)變下，RSVPD仍能保持穩(wěn)定的光電性能，展現(xiàn)出卓越的機(jī)械適應(yīng)性。 

  為充分驗(yàn)證RSVPD器件的實(shí)用性能，研究團(tuán)隊(duì)開展了系統(tǒng)性的應(yīng)用驗(yàn)證研究。首先，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了5×5可拉伸光電探測器陣列用于柔性成像，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該陣列在30%拉伸應(yīng)變條件下仍能保持穩(wěn)定的成像性能（圖3）。進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測人體心率。該傳感器成功實(shí)現(xiàn)了靜息狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心率監(jiān)測（圖4）。這項(xiàng)研究首次將高拉伸性、高透明度的橡膠導(dǎo)體與垂直結(jié)構(gòu)光電探測器相結(jié)合，突破了傳統(tǒng)柔性光電探測器的性能限制。通過微孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料優(yōu)化，團(tuán)隊(duì)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(shù)有望在柔性光學(xué)傳感、成像系統(tǒng)和醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

圖1 橡膠態(tài)可拉伸透明導(dǎo)體制備

圖2 橡膠態(tài)可拉伸垂直結(jié)構(gòu)的光電探測器制備與光電性能表征

圖3 橡膠態(tài)可拉伸光電探測器陣列

圖4 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