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复旦大学方晓生Adv. Funct. Mater.:电纺Y3+掺杂TiO2纳米纤维膜基紫外光电探测器的构建及其柔性研究
2020/9/27 10:38:13 易丝帮

DOI: 10.1002/adfm.202005291

自支撑柔性TiO2纳米纤维膜(NFMs)是高性能可穿戴电子器件的理想材料。然而,由于多晶TiO2纳米纤维的易碎特性,其实际应用仍然存在巨大的挑战。在此,通过简单的元素掺杂方法和静电纺丝技术可以实现具有强健疲劳强度和光电性能的超柔性TiO2 NFMs。掺杂2mol%Y3+的NFM基光电探测器在350nm光照、3V电压下表现出优异的紫外探测性能,即4.5 A W-1的响应度、1.6×1011 Jones的探测度和约1.6µA的光电流。通过有效调节Y3+离子的分布和键合状态,NFM显示出显著增强的柔性,在不同弯曲状态(角度,半径,螺旋状态)下成功保持了其原始光电流。重要的是,所得的Y3+掺杂TiO2 NFM在约145°弯曲20000次后,仍可保持约60%的原始光电流。在系统分析有限元法获得的微观结构特征和应力分布的基础上,提出了一种合理的弯曲变形机理原型。最后,介绍了一种可穿戴式紫外监测系统,该系统可根据遥控机器人的不同运动组合实时输出光电流信号。

 

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图1.a)原始和b)煅烧后Y3+掺杂TiO2 NFMs的照片。c)原始和d)Y3+掺杂TiO2 NFMs的FE-SEM图像。单根e)原始和f)Y3+掺杂TiO2纳米纤维的低倍TEM图像。


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图2.2mol%Y3+掺杂TiO2 NFM基平面PD的光电性能:a)平面PD的示意图。b)在黑暗和350nm(0.62 mW cm-2)光照下的I-V曲线。c)在3V偏置和350nm(0.62 mW cm-2)光照下测得的I-t曲线。d)在3V偏置和350nm光照下以不同功率密度测得的I-t曲线。e)光电流随功率密度的变化。f)计算的平面PD的响应度和探测曲线。


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图3.原始和Y3+掺杂TiO2 NFM基PD在不同弯曲状态下的弯曲测试:a)以不同半径弯曲;b)以不同角度弯曲;c)以螺旋状态弯曲;d)在不同循环中弯曲145°。所有测量均在3V和350nm(0.62 mW cm-2)光照下进行。


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图4.a)Y3+掺杂量分别为0、1、2、3和4mol%的TiO2 NFMs的XRD图谱,插图显示了(101)平面XRD峰的扩大。b)不同Y3+浓度的TiO2 NFMs的TiO2晶粒尺寸变化。c)2mol%Y3+掺杂TiO2 NFMs的HRTEM图像,插图是选定区域的SAED图案。d)2mol%Y3+掺杂TiO2 NFM单根纤维的EDS图像。


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图5.2mol%Y3+掺杂TiO2 NFMs的XPS光谱:a)全扫描,b)Ti 2p,c)O 1s,和d)Y 3d。


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图6.a)高度弯曲2mol%Y3+掺杂TiO2 NFM的SEM图像。b)根据先前的微观结构分析,解释NFM柔性显著增强的合理机制的示意图演示。纳米纤维的横截面显示了c)原始TiO2和d)Y3+掺杂TiO2的模拟单元。e)原始TiO2和f)Y3+掺杂TiO2纵向截面上的应力分布。g)原始TiO2和h)Y3+掺杂TiO2横截面上的应力分布。


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图7.Y3+掺杂柔性TiO2 NFM基可穿戴紫外监测系统演示。a)紫外监测系统的照片。在不同光照(L1-L4)下,在b)食指(I1-I3)不同位置以及c)拇指(T1-T3)、食指(I1-I3)、中指(M1-M3)、无名指(R1-R3)和小指(L1-L3)不同位置测得系统的静态开关I-t特性,在打开4个灯时分别测量。d)在4个灯打开的一系列运动组合中,紫外监测系统的动态开关光响应行为。所有测量均在黑盒中进行。


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