“皱纹”的妙用——可植入体内的弹性石墨烯光电探测器

石墨烯这种红得发烫的二维材料实际上是一种单层碳原子六角晶格，具有宽带吸收性、高载流子迁移率及可塑性，被广泛应用在光电探测器研究中。但因其在可见光及近红外区的低吸收率，阻碍了石墨烯宽带光电探测器的发展，所以目前关于石墨烯光电探测器的研究多集中于增强光吸收的混合系统上。然而，这样一个混合系统结合过程复杂，会因异质界面降低载流子迁移率，或因依赖于等离子或光学共振而使检测带宽变窄，从而导致应用范围受限及制造成本增加。

在最近的《Advanced Materials》上，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的SungWoo Nam教授课题组报道了一种新型应变调谐弹性石墨烯光电探测器，解决问题的策略堪称精妙。该探测器基于褶皱状三维石墨烯，这种“皱纹”材料可增强光信号，并可结合胶体光子晶体（colloidal photonic crystal, CPC），兼具应变调谐的波长选择性。这种弯曲的三维结构大幅增加了石墨烯面密度，获得了大于一个数量级（12.5倍）的消光性，及400%的光电响应增强。此外，通过对材料施加200%的应变，得到了约为100%的光响应调制。从而获得了一种应变调谐的光学滤波器及弹性石墨烯光电探测器（图1）。（Crumpled Graphene Photodetector with Enhanced, Strain-Tunable, and Wavelength-Selective Photoresponsivity. Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201600482）

图1. a) 应变调谐（褶皱面密度/高度/间距）增强光响应机理；b) 探测器阵列。图片来源：Wiley

研究人员通过合成时对石墨烯底部丙烯酸基质施加预应变，从而在应变释放状态下得到三维石墨烯褶皱结构，其消光性分别是平整石墨烯的12.5及6.6倍。而该方法也适用于其他新兴的二维材料，如二硫化钼（MoS₂）等。在此基础上，研究人员通过结合一个可产生光电流的波纹结构石墨烯通道，及一个采集光电信号的波纹状的金触点，构建了一种高性能光电探测设备（图2a）。通过激光照射两部分连接处测量光电流。在不同单轴拉力应变（0%-200%）下，控制激光打开和关闭时间，得到了响应速度快、重现性好，响应增强达370%的弹性光电探测器动态光响应数据（图2 c/d）。

图2. 弹性光电探测器的a)实验装置原理及b)制备；c) 动态响应测量在平坦表面及曲面上的实验装置；d) 动态光学响应。图片来源：Wiley

图3. 高弹性适形光电探测器在a) 人脑模型表面及b) 心脏模型表面进行测量，及c) 动态电流响应。图片来源：Wiley

随后，研究人员将检测器基底更换为高生物相容性、高柔韧度的硅聚合物，并在人类大脑模型（图3a）和心脏模型（图3b）上施加11.1%的拉力弯曲应变。测量结果显示，所得曲面和平面上电流-电压（V）曲线相近（图3c），且在上千次拉伸循环测量中稳定性良好。这意味着这种光电探测系统在植入式生物医学和光电子学领域中具有极高的应用潜能。

图4.  一体化CPC弹性石墨烯光电探测器及其光电响应。a) 应变调谐工作原理；b) 单反射峰位移；c) 动态光响应及颜色变化。图片来源：Wiley

最后，研究人员将胶体光子晶体嵌入柔性基质中，用作应变调谐的光学滤波器（图4a）。紫外-可见光谱显示（图4b）当应变从0%到30%时，反射峰蓝移，且颜色在橙—绿间变化（图4c），使得该一体化CPC-弹性石墨烯光电探测器对结合波长选择性和增强光电响应有独特的潜力。

2015年，中国科学院物理研究所张广宇研究员课题组也报道过一种基于柔性石墨烯材料的触觉传感器（ACS Nano, 2015, 9, 1622-1629, DOI: 10.1021/nn506341u)。该“电子皮肤”透明度高，灵敏性好，响应时间为皮肤的十分之一，可承受上万次压力测试。

相信在不断深入的研究中，石墨烯柔性检测器会在军事、医疗健康等方面发挥更高的实用价值。

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201600482/abstract

（本文由芦薇供稿）

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